圖 橫向鈣鈦礦單晶太陽能電池制備過程

 

      近期，吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室的董慶鋒教授團隊在Nature Communications上發表題為“Efficient lateral-structure perovskite single crystal

 

       solar cells with high operational stability”的研究論文，該研究制備出一種基于甲胺鉛碘單晶的橫向結構鈣鈦礦單晶太陽能電池器件，其效率與穩定性都是目前報道中最優異的。

 

       有機無機鹵素雜化鈣鈦礦材料近十幾年在太陽能電池領域發展非常迅速，目前高光電轉換效率的器件都是基于鈣鈦礦多晶薄膜。單晶是鈣鈦礦材料另一種重要的存在形式，鈣鈦礦單晶相比多晶材料無晶界的存在，具有很多優異的性質，比如：更長的載流子擴散距離，更弱的離子移動效應，更高的熱分解溫度，更優異的穩定性；橫向背接觸太陽能電池結構(Interdigitated back contact) (IBC)是硅太陽能電池中很重要的一種結構并已經被廣泛應用，單面背電極結構制備簡單且無需使用昂貴的透明電極，光利用率相比采用透明導電玻璃的傳統疊層結構電池更高，同時避免了多層結構各層熱膨脹差異等因素引起的器件穩定性問題，有望獲得性能更加優異的光伏器件。在保持足夠長電極間距使其可低成本制備的同時，獲得高性能的橫向結構器件是實現IBC電池的重要前提，而橫向結構器在鈣鈦礦太陽能電池尚屬于有待深入挖掘的一個重要方向。

 

       對于橫向背接觸結構鈣鈦礦太陽能電池，這屬于是一種表面電池，所以活性層的表面性質對于器件的性能影響是很大的。鈣鈦礦單晶在生長中，不論單晶使用何種方法生長，當單晶與母液分離時都會造成單晶表面的破壞，產生大量缺陷。作者通過XPS測試手段證明單晶表面會產生多余的金屬鉛，這是一種嚴重影響器件性能的缺陷；這主要是由于有機鹽在母液中的溶解性大于碘化鉛的溶解度，當在取出晶體表面殘留的母液時會溶解掉部分有機鹽產生金屬鉛缺陷以及胺空位。而鈍化這種缺陷以及其他表面缺陷是提升表面電池的一個重要手段。作者使用痕量的碘甲胺（MAI）溶液簡單處理有缺陷的甲胺鉛碘單晶表面，這樣MAI可以占據胺空位與金屬鉛相互作用，可以消除金屬鉛缺陷產生的負面影響。在這種簡單的處理后，作者發現有少量MAI覆蓋在單晶表面，少量的MAI會提高晶體表面電勢，作者通過開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測試得到在使用MAI處理的晶體表面電勢平均提高了約80 meV。表面電勢的提高使得在橫向結構中改善了正極與晶體的電勢差，同時MAI的使用也增加了器件橫向的導電率并大幅提升了器件的填充因子。

 

       對于橫向結構鈣鈦礦單晶太陽能電池器件性能測試，作者測試了不同光強下的器件性能，當使用MAI對晶體進行處理的器件中，在標準測試條件下1個太陽光照強度下達到了11.52%的光電轉換效率，而在0.5個太陽光照強度下達到了最高的12.76%。經過MAI處理的器件由于提升了表面導電率，鈍化了表面缺陷，相比較未經過處理的器件在高光強下幾乎無電流損失。作者還通過幾步簡單的制備方法，實現了大面積橫向鈣鈦礦單晶太陽能電池制備，為鈣鈦礦單晶太陽能電池提出了一個新方案。在單晶電池范圍內作者還首次測量了器件長期工作穩定性，令人驚喜的是，該器件在持續1個太陽光照強度下最大功率點持續輸出200小時幾乎無任何衰減，這主要得益于鈣鈦礦單晶材料及橫向器件結構的穩定性。

 

       作者通過該研究提出了一種為實現更高效的大面積橫向鈣鈦礦單晶太陽能電池可行的制備手段，并將橫向鈣鈦礦單晶太陽能電池的效率提高目前最高的11.52%，但還有很大提升空間。該論文的第一作者是吉林大學的博士生宋益龍，通訊作者是吉林大學董慶鋒教授。