有機--無機雜化鈣钛礦電池經過10餘年快速發展，其光電轉換效率已經可以與單晶矽電池相媲美，在進一步提升電池效率和穩定性的同時，推動其産業化已經提上日程。其中，在小面積器件拓展到大面積子產品的過程中，因能量損耗而引起電池性能損失，是目前科學和産業研究急需解決的核心問題之一，對于進一步提高鈣钛礦電池子產品效率，促進其大面積化和産業化具有重要意義。
圖1. 材料修飾下小面積鈣钛礦太陽能器件性能表征
中國科學院實體研究所/北京凝聚态實體國家研究中心孟慶波團隊是國内最早開展鈣钛礦電池研究的團隊，在高品質鈣钛礦薄膜的制備、電池效率和穩定性提升方面開展了系統研究，發展了一系列體相、界面調控方法及相關穩定性研究。例如，首次提出界面鈍化作用的穩定性對于器件整體穩定性至關重要，利用三苄基氧化膦（TBPO）分子間π-π共轭誘導形成表面分子超結構，獲得高穩定TBPO-鈣钛礦配位和鈍化作用，顯著提升了電池效率、界面穩定性和電池器件穩定性（Adv. Mater., 2020, 20,1907356）；發展了一種量化鈣钛礦電池界面缺陷的方法，将疏水聚苯乙烯材料分别引入鈣钛礦薄膜和前界面，前者可以有效抑制鈣钛礦薄膜組分揮發及相分離，後者能夠釋放界面應力，還可以作為内封裝材料進一步提高器件穩定性（Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901352；Nano Energy, 2018, 43, 383; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905336）。目前該團隊已經在鈣钛礦太陽能電池關鍵材料與技術領域獲得國家授權發明專利18項，實用新型專利5項。
圖2. 陰-陽離子雙功能分子調控鈣钛礦薄膜結晶和缺陷的機理示意圖
圖3. 器件穩定性和大面積子產品性能表征
最近，針對FA-Cs鈣钛礦體系中，由于FA和Cs離子尺寸失配而造成結晶過程易産生晶格畸變、相分離和缺陷中心而不利于獲得大面積均勻鈣钛礦薄膜的問題，清潔能源實驗室太陽能材料與技術團隊/懷柔研究部清潔能源材料測試診斷與研發平台李一明博士與石将建副研究員、李冬梅研究員和孟慶波研究員合作，設計了一種雙功能材料異丁基二硫代氨基甲酸異丁胺(iBA-iBDTC)。将其直接引入鈣钛礦前驅溶液中，在鈣钛礦晶體生長過程中iBA-iBDTC中的CSS-陰離子基團與Pb配位來改善Pb-I成核及FA-Cs鈣钛礦結晶，同時長鍊iBA+陽離子分布在鈣钛礦薄膜表面和晶界，能夠鈍化缺陷、降低表面能并穩定表界面結構。小面積鈣钛礦太陽能電池實作了24.25%光電轉換效率，>10 cm電池子產品上實作了20.5%認證效率，是目前報道的鈣钛礦子產品高效率之一。這種結晶調控和表界面鈍化的協同作用為促進鈣钛礦光伏發展和産業化提供了更可行的技術路線。
圖4. 電池子產品認證效率
該研究成果以“Efficient, stable formamidinium-cesium perovskite solar cells and minimodules enabled by crystallization regulation”為題發表在Joule 6 (2022) 676上。本研究得到了國家自然科學基金(51872321, 11874402, 52172260, 52072402, 52102332, 51627803)的支援。
編輯：雲開葉落