beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室趙清教授課題組在鈣钛礦太陽能電池器件研究中取得重要進展。研究團隊揭示了大多鈣钛礦太陽能電池器件制造過程中的高真空熱蒸發制備金屬電極制備會損壞器件中鈣钛礦薄膜表面，導緻組分逃逸、缺陷密度反彈和薄膜穩定性降低等問題。該工作打破以往認知，明晰了預先制備的鈣钛礦薄膜和實際最終在器件中工作的薄膜并不完全相同，薄膜優化并未完全貢獻于器件性能提升這一領域内鮮為人知的現象，并設計一種由氧化石墨烯和石墨片組成的雙層結構來消除薄膜前後的不一緻性，從而挽救了高真空熱蒸發鍍膜過程造成的從薄膜到器件性能提升之間的損失。該成果以“消除從鈣钛礦薄膜到器件之間的性能損失”(Eliminating performance loss from perovskite films to solar cells)為題，于2024年9月27日在線發表于《科學進展》(Science Advances)。

有機無機雜化鈣钛礦材料作為一種新型高效廉價的光伏半導體，将助力我國更好地實現碳中和目标。鈣钛礦作為新興半導體，其材料及器件的主要制備和表征方法都借鑒于傳統半導體。但是鈣钛礦具有與它們截然不同的晶體特性，例如明顯較弱的化學鍵和較軟的晶格等，因此這些常規方法例如高真空熱蒸發制備金屬電極過程等是否仍然完全适用于鈣钛礦需要深入探索。這些過程是否會導緻最終工作于器件中的薄膜和預先優化的薄膜是不一緻的？薄膜優化是否可以完全貢獻于最終器件性能的提升？這些問題很少受到領域的普遍關注。該研究首先通過一系列表界面表征方法對新鮮制備的電極和鈣钛礦薄膜進行了測量和表征（圖1），證實了鈣钛礦薄膜表面在電極制備過程中發生了組分逃逸和部分降解。

圖1電極制備過程造成對鈣钛礦薄膜表面的損傷表征

進一步通過導電AFM揭示出電極制備過程削弱了鈣钛礦薄膜表面的導電性(圖2)，光學測量表征顯示出電極制備過程導緻钛礦薄膜表面的缺陷密度增加，載流子壽命下降。共聚焦激光掃描顯微鏡觀測到同樣的變化規律。後續對薄膜厚度相關的時間分辨光緻發光衰減動力學表征結果表明，電極制備過程提高了鈣钛礦薄膜的表面複合速率而對體複合壽命的影響相對較小，進一步說明電極制備主要惡化了鈣钛礦薄膜表面，從而對後續器件性能造成影響。

圖2電極制備過程對鈣钛礦薄膜光電性能的影響表征

為解決這一關鍵問題，課題組提出通過插入較厚保護層來削弱電極制備過程對鈣钛礦薄膜影響的策略，巧妙設計了一種由氧化石墨烯和天然石墨薄片構成的雙層結構來作為鈣钛礦薄膜的保護層。一系列對鈣钛礦薄膜的表征結果表明該保護層可以确保鈣钛礦膜在電極制備前後的成分和光電性質的一緻性。質譜結果證明在電極制備前後，鈣钛礦薄膜的所有組分幾乎保持不變(圖3a-c)。最後，通過添加該保護層降低電極制備過程造成的薄膜損傷，将鈣钛礦太陽能電池的光電轉換效率從24.63%顯著提升到25.55%（圖3）。此外，實驗結果還證實了該保護層同時有利于提升薄膜的水氧、光熱穩定性和對抗離子遷移方面的穩定性。封裝的器件在85 ℃加熱老化1100小時後仍能保持初始效率的93%，在最大功率點跟蹤2000小時後表現出基本不變的優異穩定性(圖3)。上述結果驗證了添加該保護層可消除電極制備前後造成的薄膜不一緻性，有望将薄膜優化最大化貢獻于最終器件光伏性能的提升。

該工作對領域内基于軟晶格的半導體光伏材料優化是否可以全面轉化為最終器件增強的問題引發了深入思考和關注，也為該類問題在其他類型光電器件中的應用提供了重要參考。

圖3消除薄膜不一緻性提升鈣钛礦太陽能電池器件性能

beat365官方网站2024屆博士畢業生（現為beat365博士後）駱超為論文第一作者，趙清為通訊作者。上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、beat365人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、beat365長三角光電科學研究院等支持。

論文原文鍊接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adp0790