反式钙钛矿太阳能电池研究取得的进展

AdvancedMaterials刊登了北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”在钙钛矿太阳能电池研究的最新进展。研究团队基于醋酸铅前驱体体系制备的钙钛矿太阳能电池获得超过20%的光电转换效率，进一步显示了反式钙钛矿太阳能电池的发展前景。

随着环境问题的日益加剧，太阳能以其清洁、可再生的优势引起了科研界和产业界的广泛关注。其中，高效、经济的光伏技术也成为了当前学术研究和产业发展的热点之一。近年来，一种新型光伏技术——钙钛矿太阳能电池以其易制备、低成本和高效率的特点走入人们的视野，成为新型光伏技术的新宠。短短七年之内，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率实现了跨越增长，从最初的3.8%提升至现在的22%以上，表现出了极大的优势和潜力。

钙钛矿太阳能电池分为正式（n-i-p）和反式（p-i-n）两种结构。常规的正式器件通常需要致密或介孔氧化物作为电子传输层，其制备工艺相对复杂，且与柔性基底的兼容性不好。相比较而言，反式结构器件因制备工艺简单、可低温成膜、无明显回滞效应等优点受到越来越多的关注，但是其光电转换效率还稍显不足。

针对反式结构钙钛矿太阳能电池器件效率较低的问题，北京大学“极端光学创新研究团队”的朱瑞研究员和龚旗煌院士等从钙钛矿薄膜形貌控制、界面调控及组分优化等角度进行了全面系统的研究，在过去的两年中取得了一系列创新成果。他们利用醋酸铅前驱体体系，先是将微量溴甲胺作为添加剂应用于钙钛矿前驱体溶液中，该策略可以有效改善钙钛矿薄膜的表面形貌，使其光学和电学性能均得到明显提升，最终，基于醋酸铅前驱体的反式平面结构钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从14.26%大幅度提高至18.32%，研究结果发表在AdvancedFunctionalMaterials上，并被选为封底内页。该论文发表后连续两个月的访问次数在该刊排名前五，也是该刊2016年度访问次数最多的文章之一（Adv.Funct.Mater.,2016,26,3508，博士生赵丽宸和罗德映为共同第一作者）。随后，他们又借助界面调控，首次在钙钛矿太阳能电池领域提出了“电荷载流子平衡”的概念，并系统地研究和实现反式钙钛矿太阳能电池器件内的电荷载流子平衡，将反式钙钛矿太阳能电池光电转换效率进一步提升至接近19%，该结果发表在AdvancedMaterials上（Adv.Mater.,2016,28,10718，博士生陈科、胡芹和刘堂昊为共同第一作者）。之后，该团队又进一步采用双源前驱体溶液法，在体系中引入“甲脒”有机阳离子将吸收光谱拓展至近红外区域，并结合对空穴传输层的优化，确保了电荷有效传输和收集，同时提升了器件的开路电压，最终将光电转换效率提升至20%以上。该结果发表在AdvancedMaterials上，是目前报道的基于醋酸铅前驱体体系钙钛矿太阳能电池的最高性能（Adv.Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201604758，博士生罗德映和赵丽宸为共同第一作者）。此外，他们还撰写了关于反式结构钙钛矿太阳能电池的综述文章，发表在AdvancedEnergyMaterials上，对反式钙钛矿太阳能电池的发展现状进行了系统归纳，并对未来的前景进行了展望（Adv.EnergyMater.,2016,6,1600457，博士生刘堂昊为第一作者）。

该系列研究工作得到中国国家自然科学基金委、科技部、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、“极端光学协同创新中心”“2011计划”量子物质科学协同创新中心、“青年”和美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）等单位的支持。