基于介孔碘化鉛骨架的高效率鈣钛礦太陽能電池

随着環境和能源問題的日益凸顯，清潔可再生的太陽能能源的利用引起了科研工作者和産業界人士的廣泛關注。鈣钛礦太陽能電池，因其具有光電轉換效率高、制備工藝簡單和成本低廉等優勢，近幾年發展迅猛，最高光電轉換效率已突破20%，成為新型薄膜太陽能電池中的傑出代表。鈣钛礦太陽能電池中采用具有鈣钛礦型晶格結構的有機-金屬鹵化物作為光吸收層，這種材料具有帶隙窄、吸光強、載流子遷移率高等優良的光電性質。有機-金屬鹵化物的制備方法通常包括溶液法、蒸鍍法以及液相/氣相混合沉積方法等。其中，溶液法由于操作簡單、成本低廉得到更多的關注。在溶液法中，采用兩步順序沉積法能夠簡便的實現緻密的鈣钛礦薄膜，為高性能的鈣钛礦太陽能電池奠定了基礎。在傳統的兩步溶液法中，碘化鉛首先被沉積在介孔氧化物骨架上，而後再将基片浸入到甲胺碘溶液中。甲胺碘溶液通過骨架上的孔洞向薄膜中滲透，與碘化鉛充分接觸和反應，從而生成鈣钛礦吸光層。然而，在平面異質結鈣钛礦太陽能電池中，由于沒有使用介孔氧化物骨架，碘化鉛會形成一層緻密的薄膜，如果再采用常規的浸泡甲胺碘溶液的薄膜生長方法，那麼隻有表層的碘化鉛能夠與甲胺碘接觸反應，僅在表層生成一薄層鈣钛礦層，這就造成薄膜中含有大量的碘化鉛殘餘，由此導緻活性層吸光不夠、電荷的傳輸電阻較大，因而器件性能會比較低。

beat365 “極端光學研究”創新團隊朱瑞研究員、龔旗煌院士與與美國勞倫斯伯克利國家實驗室的劉烽博士、王誠博士以及美國麻省大學Amherst分校的Thomas Russell教授展開合作，研究了基于介孔碘化鉛骨架的高效率鈣钛礦太陽能電池。他們開發了一種時間調控的介孔碘化鉛薄膜的生長方法，通過控制碘化鉛薄膜的多孔性，可以為後續的甲胺碘溶液的滲透提供通道，促使碘化鉛完全轉換成鈣钛礦。同時，借助于掠入射X射線衍射（GIXD）和共振軟X射線衍射（RSOXS）等同步輻射表征方法，系統地分析了不同的介孔碘化鉛骨架轉化成的鈣钛礦薄膜的各方面性質，并對比研究了相應的太陽能電池器件的性能。GIXD 和RSOXS衍射結果表明，碘化鉛與甲胺碘的反應過程是從上表面到薄膜底部展開的，碘化鉛骨架中的介孔通道保證了甲胺碘能夠從表層持續擴散到底部，讓碘化鉛與甲胺碘充分接觸和反應。此外，鈣钛礦晶體的結晶性從上表面到薄膜底部依次增強，晶體大小也依次增大。基于此種方法制備的平面結鈣钛礦太陽能電池，正式器件光電轉換效率最高可達17.6%，簡單結構的倒式器件效率也可達15.7%，而且無掃描滞後現象。相關研究成果發表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials , 2015, DOI: 10.1002/aenm.201501890）上。

該研究工作得到中國國家自然科學基金委、科技部、beat365人工微結構和介觀物理重點實驗室、“2011協同創新中心、美國能源部（DOE）以及勞倫斯伯克利國家實驗室等單位的支持。