无机钙钛矿电池性能调控方面取得新进展

近日，中国科学院大连化学物理研究所薄膜硅太阳能电池研究组研究员刘生忠团队在无机钙钛矿电池性能调控方面取得新进展，相关成果在AdvancedEnergyMaterial和NanoEnergy上发表。

有机-无机金属卤化钙钛矿太阳电池因具有较高的光电转换效率而受到广泛关注，近年来发展迅速，成为光伏领域的研究热点，但由于钙钛矿晶体结构中有机阳离子与碘铅八面体之间作用力较弱，致使该材料在外界条件刺激下容易分解，制约其进一步发展。相比之下，全无机钙钛矿材料(CsPbX3,X=I,Br)因其优异的热稳定性成为钙钛矿电池领域的新兴研究热点，然而基于无机钙钛矿材料的光伏器件内部非辐射复合较为严重，因此其光电性能仍具有较大提升空间。为了提高无机钙钛矿电池光电转换效率，积极发展无机钙钛矿性能调控策略，该团队刘生忠和王开等人采用不同策略抑制器件内部电子复合。一般情况下，器件内非辐射复合可分为界面复合和钙钛矿薄膜内非辐射复合两部分。针对界面复合，该团队采用镧系金属溴化物修饰电子传输层/钙钛矿界面，从而在界面处形成梯度式能带结构，达到抑制界面电子复合的目的，同时界面修饰可通过强化功能层间相互作用来促进电子动力学过程。基于该策略，该团队将基于CsPbIBr2的钙钛矿电池性能提高到10.88%，处于此领域较高水平;针对钙钛矿薄膜内非辐射复合，该团队采用金属钡离子掺杂的策略来抑制这一过程，在研究中发现，虽然钡离子半径不满足Goldscht几何规律的要求，但其仍然可以改善钙钛矿材料光电性能，并提高器件稳定性。该研究表明钙钛矿材料对金属杂离子具有较高的容忍度。以上工作为无机钙钛矿性能调控提供了依据，在一定程度上推进了无机钙钛矿电池的发展。

该工作得到国家重点研究与发展计划、中央高校基础研究基金、国家自然科学基金、辽宁省博士启动基金、111项目、长江学者创新团队项目等的资助。

另外，中科院化学所绿色印刷院重点实验室也在钙钛矿电池领域取得进展。

近年来，基于铅的有机/无机杂化钙钛矿材料受到了极大的关注，成为太阳电池研究的热点方向，其最高光电转换效率已达到23%。然而，由于这类材料结晶性强，利用常规的溶液涂布方法和采用常用的钙钛矿前驱体，很难控制钙钛矿薄膜的成核和结晶，导致薄膜的覆盖度低和光伏器件性能重复性差，可能制约着其进一步的推广应用。

在国家自然科学基金委的支持下，中科院化学所绿色印刷院重点实验室科研人员在前期染料敏化太阳电池研究基础上，针对目前钙钛矿溶液涂布存在的问题，利用固-气反应方法，通过有机阳离子交换途径制备高质量的钙钛矿薄膜，光伏器件性能得到显著提高。

最近该研究团队通过固-气反应实现了一维HAPbI3(HA=N2H4+)到三维非铅类锡钙钛矿MASnI3(MA=CH3NH3+)的转变。由于这种一维钙钛矿前驱体具有良好的成膜性，固-气反应后的三维钙钛矿薄膜在二氧化钛基底上具有很好的覆盖度。更重要的是，在阳离子置换过程中，由内部置换产生的肼气体可以有效地原位还原薄膜内部可能存在的四价锡，显著降低薄膜中载流子浓度，从而改善光生载流子输运。利用这种锡钙钛矿薄膜作为光吸收层，采用典型的二氧化钛介孔结构的钙钛矿电池在一个标准太阳光下的光电转化效率达到7.13%。