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吉大董庆锋教授:稳定高效横向结构钙钛矿单晶太阳能电池

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2020-01-23 07:00

正文

▲第一作者：宋益龙博士；通讯作者：董庆锋教授

通讯单位：吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室

论文DOI：10.1038/s41467-019-13998-2

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制备出了稳定且高效的横向结构单晶钙钛矿太阳能电池，光电转换效率超过 11.5 %，最大功率持续输出 200 小时无衰减。制备了较大面积的集成器件，为实现稳定高效的钙钛矿太阳能电池提供了一个新的选择。

背景介绍

A 钙钛矿的发展

钙钛矿这种结构的材料被发现已经超过 100 多年，而有机无机杂化钙钛矿应用在光伏、发光二极管以及探测器等方面只是近十多年才发展起来，并且发展异常快速。尤其在太阳能电池方面，其效率正逼近传统硅太阳能电池效率，要知道硅电池已经发展超过 70 年，所以钙钛矿这种材料是 21 世纪发展最快的材料之一。

B 钙钛矿单晶与多晶

在光伏器件中应用最多的钙钛矿材料主要是有机或无机-铅-卤素组分，这种材料分为单晶与多晶，其中单晶在多项关键光电性质上要优于多晶材料，以下都以甲氨基铅碘（MAPbI ₃ ）材料为例，单晶相比多晶具有更长的载流子扩散距离（＞175 μm），更低的陷阱密度以及拓宽的吸收光谱。钙钛矿单晶则具有结晶度高无晶界等有点，可大幅提高热分解温度（240 ℃，多晶 150 ℃），同时单晶具有更长时间的空气储存稳定性，在室温以及中等湿度下，可在空气中稳定存在数年。

研究的出发点

目前更多的高效率光伏器件是基于多晶薄膜制备，而发展单晶光伏器件也是一个重要方向，因为单晶如上各方面性能优于多晶。目前单晶器件大部分是基于三明治结构，也获得了喜人的效率，但至今关于单晶器件稳定性方面的报道还未出现。由于单晶与 ITO 玻璃基底存在较大的热膨胀系数差异，在器件工作时界面处稳定性会大大降低。基于此，我们采用了横向结构来制备太阳能单晶器件，这种结构是传统硅电池中的一种重要结构，这种结构在钙钛矿材料里尤其是在单晶中少有报道。以往工作中主要使用电极化（Adv. Mater. 28, 2816–2821 (2016)）以及阴极界面修饰（Adv. Funct. Mater. 29, 1807707 (2019)）来制备单晶横向器件，这次我们优化了钙钛矿单晶表面结构及阳极界面，得到了电池性能的大幅提升。同时我们猜想，单晶本身具有高稳定性，那么在器件中是否也具有高稳定性呢？

器件的制备

我们通过阅读文献得到一条重要信息，就是 MAPbI ₃ 这种材料随着碘甲胺（MAI）与碘化铅（PbI ₂ ）的含量不同时会产生自掺杂效应，当 MAI 偏多时材料会更偏向 p 型半导体。我们利用这一点在晶体表面简单旋涂少量 MAI，通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测试，我们发现晶体表面电势提高了约 80 meV，这与金的能级更加接近。我们制备了横向器件，并通过几步简单的方法第一次放大了横向器件的，得到了大面积横向器件，这向前迈出了一步。制备的示意图如下。

▲Fig. 1 Fabrication of lateral structure perovskite solar cells. a Schematic diagram of preparation process of large-area lateral structure perovskite single crystal solar cells. b Image of the MAPbI ₃ single crystal. c and d Photographs of the lateral-structure SC-PSCs. e Structure of a regular single device with area of 50 μm× 1 mm. The large-area device was integrated by 19 single devices (65 μm× 1.5 mm) with total device area of 1.85mm ² .

单晶及器件性能表征

A 单晶表征

我们仔细研究了单晶表面加入这一层 MAI 会发生什么变化，我们通过常规的测试手段，比如 XRD,SEM,XPS,PL,TRPL 等证明了通过加入这一层 MAI 可以消除单晶表面的缺陷，同时也未破坏单晶表面，这对于器件的性能是很关键的。只有更少的缺陷才会让产生的载流子扩散的更远而不被陷阱束缚。还有如上所说的表面电势的改变，减少了电压的损失。我们又测试了晶体表面导电性的变化，惊喜的发现使用 MAI 处理后晶体不论在暗态还是光态下导电性变得更好，使横向传输更好电压损失更低。

B 单晶太阳能电池器件性能表征

基于以上单晶表面变得更好，制备的器件也会得到更优秀的性能。我们对器件进行了全面的表征，通过测量不同光强下的器件的 J-V 曲线，使用 MAI 的单晶在高光强下几乎无额外电流损失，表面有更少的符合。更加惊喜的是器件的光电转换效率有了大幅提升，在一个太阳光照下达到了 11.52 %，这也是横向背接触钙钛矿电池目前最高的效率。我们一直很关注器件的稳定性，我们继续测试了该器件的持续光照最大功率输出状态的效率变化，让我们惊喜的是，该器件在持续工作 200 小时后几乎无任何衰减，要注意的是，这是基于 MAPbI ₃ 这一材料的，这也是首次验证了单晶在器件中的高稳定性，也证明了我们以往的推测是正确的。

▲Fig. 2 Device performance of lateral-structure solar cells. a Light intensity (0.0005–1.5 Sun) dependence of J _SC curves. b Light intensity (0.0005–1.5 Sun) dependence of V _OC curves. J-V curves of different light intensity with ( c ) and without ( d ) MAI treatment. e and f Statistical data of device performance before and after MAI treatment (0.25 Sun). g Long-term stability under continuous output at MPP condition (1 Sun).

总结与展望：

本课题组基于 MAPbI ₃ 钙钛矿单晶，通过简单的 MAI 修饰，钝化了缺陷、提高了横向导电率，制备出了工作稳定且高效的横向背接触单晶钙钛矿太阳能电池，且实现了器件的大面积制备，为钙钛矿单晶太阳能电池的发展提出了一个新的策略。

在钙钛矿太阳能电池中横向结构相比纵向结构在效率以及关注度上都有很大差距，所以横向结构在钙钛矿太阳能电池中的发展还有很大的空间，尤其是钙钛矿单晶相比多晶具有很多更加优异的光电性能，所以我认为横向钙钛矿单晶太阳能电池将是一个很重要的研究方向，也希望大家多多关注该方向。

心得与体会

第一作者宋益龙：很多人觉得好的科研工作是去要做的复杂化，但我们觉得好的科研是需要做简化的，用更简单的方法去实现更好的要求才是真正立足科研之林的根本。我们的这一工作也一样，没有太复杂的东西，但得到了很好的结果。也希望我自己在以后的工作科研中继续努力。

特别感谢董老师的耐心指导与实验室并肩工作的朋友们的支持，我们课题组也是成立不久，在前期实验室建设过程中设备不齐全，大家知识储备不够，到现在刚刚开始正常运转，每个人都付出了很多辛苦，也希望组里每个人都能有自己满意的结果。

研之成理各版块内容汇总：

1. 仪器表征基础知识汇总

2. SCI论文写作专题汇总

3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总

4. 理论化学

吉大董庆锋教授:稳定高效横向结构钙钛矿单晶太阳能电池

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