上海交大韓禮元Energ.Environ.Sci.：垂直結晶法實現高效且穩定的氟代甲脒基鈣鈦礦電池

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——材料人編輯部

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池中的反式結構比正式結構擁有更多的優點，比如遲滯效應小、穩定性好、製備簡單和易大面積製備等。近期由於氟代甲脒（FA）基鈣鈦礦材料具有優異的光伏特性，吸收光譜可以擴展到840 nm，因此受到研究者的廣泛關注。用其製備的正式結構太陽能電池效率已經超過20%。然而，由於在FA-基鈣鈦礦材料中，電子空穴傳輸特性不平衡，導致反式結構FA-基鈣鈦礦太陽能電池的效率很難上去。這種不平衡的載流子傳輸特性歸根結底是由鈣鈦礦薄膜的結晶性差所導致的。因此如何獲得高結晶性的鈣鈦礦薄膜是製備高效率反式鈣鈦礦太陽能電池的關鍵所在。

【成果簡介】

近日，上海交通大學韓禮元教授在Energ. Environ. Sci.上發表了一篇名為「Vertical recrystallization for highly efficient and stable formamidinium-based inverted-structure perovskite solar cells」的文章。該研究提出了一種垂直結晶方法，控制甲基氯化銨（MACl）分子在δ態FA-基鈣鈦礦薄膜上垂直方向擴散，輔助FA-基鈣鈦礦薄膜由δ態到α態的相轉變，使得薄膜重新結晶，有效的製備出了結晶性好FA-基鈣鈦礦薄膜，並且成功製備出了效率高達20.65%的穩定性好的反式結構鈣鈦礦太陽能電池。

【圖文簡介】

圖1：高結晶度FAPbI3薄膜的製備與表徵

(a).垂直結晶法製備高結晶度FA-鈣鈦礦薄膜的流程圖；

(b, d).無MACl處理及未加熱的δ態FAPbI3薄膜的XRD譜和SEM截面圖；

(c, e). MACl處理及加熱的α態FAPbI3薄膜的XRD譜和SEM截面圖；

圖2： MACl濃度對FAPbI3薄膜結晶性的影響

(a-d). 不同濃度 MACl 處理FAPbI3薄膜的SEM圖。

圖3：垂直結晶法（MACl處理）的FAPbI3薄膜的性能表徵

(a).不同MACl濃度下FAPbI3薄膜的XRD譜；

(b).不同MACl濃度下FAPbI3薄膜的吸收譜；

(c).不同MACl濃度下FAPbI3薄膜110面的XRD峰移；

(d).MACl濃度與FAPbI3晶格常數的關係圖。

圖4：垂直結晶法製備（MACl處理）的反式鈣鈦礦電池的性能測試

(a).不同MACl濃度處理的器件的J-V曲線；

(b).不同MACl濃度處理的器件的EQE曲線；

(c).MACl處理前和處理後的FAPbI3薄膜的光致發光量子效率譜；

(d).MACl處理前和處理後的FAPbI3薄膜的熒光光譜；

(e).MACl處理前和處理後的FAPbI3薄膜的時間分辨熒光光譜；

(f).MACl處理前和處理後的鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓與光強的依賴關係曲線；

(g).MACl處理前和處理後的鈣鈦礦太陽能電池效率的穩定性測試。

【小結】

在這項工作中，研究人員提出了一種垂直結晶的方法，通過MACl分子在FAPbI3薄膜上垂直方向擴散，輔助δ-FAPbI3薄膜轉換成α-FAPbI3薄膜，有效提高了FAPbI3薄膜的結晶性，進而提升了反式FA-基鈣鈦礦電池的效率（20.65%）和環境穩定性。

文獻鏈接：Vertical recrystallization for highly efficient and stable formamidinium-based inverted-structure perovskite solar cells (Energ. Environ. Sci.,2017,DOI:10.1039/c7ee01675a)

團隊介紹：

上海交通大學韓禮元教授領導的科研團隊多年來致力於新型太陽能電池研究,近來在鈣鈦礦太陽能電池領域屢獲佳績。該團隊成員包括，東方學者楊旭東特別研究員，青年千人陳俊超特別研究員，陳漢講師,以及2名博士後和10名在讀研究生。

團隊該領域工作匯總：

該團隊主要在鈣鈦礦太陽能電池高效率器件製備，大面積模塊開發，穩定性方面做出了卓越貢獻。2015年該團隊首次獲得了1cm2的器件最高認證效率15%，相關工作被發表在Science雜誌上。為了獲得更高的效率，通過仔細研究了發電機理，發現反式器件中電子收集效率低的問題。為此，韓老師的團隊開發了一種新的漸變異質結結構，有效地改善了電子收集效率，把認證效率提高到18.21%，該工作發表在Nature Energy雜誌上。近期，該團隊通過降低鈣鈦礦薄膜中的缺陷，採用簡單的組分和製備方法，獲得了19.19%反式鈣鈦礦太陽電池的最高認證效率。同時，該團隊在大面積模塊開發方面也取得了開拓性的研究成果。他們開發了一種稱為軟膜法的製備大面積高質量鈣鈦礦薄膜的方法，成功製備了36平方厘米鈣鈦礦太陽能電池模塊，首次獲得了12.1%的認證效率。這是第一個被收錄於太陽能電池效率表中的鈣鈦礦太陽電池模塊效率。在提高穩定性方面，該團隊近期在Nature Communication雜誌上發表了一篇很有價值的文章，他們將石墨烯層引入電荷傳輸材料，有效抑制了碘離子的移動和甲胺氣體的逸出，獲得了85攝氏度條件下，500小時的穩定性，並通過了1000小時的光照穩定性測試。為了加速鈣鈦礦太陽電池的實用化，該團隊系統地進行了成本分析，指出了提高轉換效率和穩定性才是影響鈣鈦礦模塊成本的關鍵因素。達到模塊效率高於15%，穩定性大於15年的目標，才能產出低於傳統能源的發電成本，這對未來鈣鈦礦電池的發展方向具有重要指導意義。目前，要想實現這一目標，還存在許多困難和挑戰，但該團隊相信，只要結合科學的方法和不懈的努力，就一定可以在不遠的將來實現這個的目標。

優質文獻推薦：

1) W. Chen, Y. Wu, L. Han et al., Science, 350, 944 (2015)

2) J. Liu, L. Han et al., Adv. Mater. 27, 4918-4923(2015)

3) Y. Wu, X. Yang, W. Chen, L. Han, et al, Nature Energy, 10.1038/nenergy.2016.148

4) Adv. Maters., DOI: 10.1002/adma.201701073

5) F. Ye, X. Yang, L Han. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2295-2301.

6) E. Bi, L. Han et al., Nature communications, 2017, DOI: 10.1038/ncomms15330

7) M. Cai, L. Han, Adv. Sci. 2017, 4, 1600269.

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