武漢大學柯維俊/方國家團隊在疊層太陽能電池研究取得新進展

　　近日，Nature Communications(《自然?通訊》)和Advanced Materials(《先進材料》)相繼刊登了武漢大學柯維俊、方國家教授團隊關于鈣鈦礦疊層太陽能電池的最新研究成果，武漢大學為第一通訊單位。
 

　　鈣鈦礦太陽能電池作為太陽能電池領域的新興力量，近年來憑借其低廉的原料成本、可溶液加工的特性、良好的弱光效應以及卓越的光電性質，迅速嶄露頭角。單結鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已突破27%，然而，隨著單結電池的效率日益接近其理論Shockley-Queisser效率極限，進一步提升效率面臨嚴峻挑戰(zhàn)。在此背景下，全鈣鈦礦疊層太陽能電池應運而生，它由頂部寬帶隙鈣鈦礦子電池和底部窄帶隙鈣鈦礦子電池疊加而成，因具有超越單結鈣鈦礦太陽能電池理論效率的潛力，理論效率可達約45%，從而吸引了科研人員和產業(yè)界的廣泛關注。
 

　　在全鈣鈦礦疊層太陽能電池中，窄帶隙錫鉛鈣鈦礦薄膜的晶體質量對長波段光的吸收轉化效率至關重要，進而影響整體光電性能。然而，在制備窄帶隙錫鉛鈣鈦礦薄膜時，由于結晶速度快且不均衡，導致薄膜缺陷眾多、晶界雜亂，嚴重阻礙了載流子的傳輸。為解決這一難題，研究團隊采用了種子誘導結晶技術，通過在鈣鈦礦前驅體溶液中加入特定種子，利用這些種子的單一晶面取向，引導晶體沿特定方向生長，從而形成高質量薄膜。研究團隊創(chuàng)新性地設計了一種原位形成ABX3結構氧化物種子的策略來調控鈣鈦礦結晶。他們在鈣鈦礦前驅體中引入錫酸鉀，使其與碘化鉛反應生成碘化鉀和錫酸鉛。其中，碘化鉀有效鈍化缺陷，而與主相鈣鈦礦具有98%晶格匹配的PbSnO3則充當模板種子。這種方法不僅促進了預成核團簇的形成，還實現(xiàn)了擇優(yōu)取向結晶。實驗結果顯示，將錫酸鉀引入鈣鈦礦前驅體和空穴傳輸層后，單結1.25 eV窄帶隙錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了23.12%的穩(wěn)態(tài)輸出效率。此外，全鈣鈦礦疊層器件的效率也達到了28.12%(兩端)和28.81%(四端)。這種通用的模板種子方法還成功提升了1.77 eV和1.54 eV帶隙電池的性能。相關研究成果以“Universal In-situ Oxide-based ABX3-structured Seeds for Templating Halide Perovskite Growth in All-perovskite Tandems”《基于氧化物的ABX3結構原位種子用于全鈣鈦礦疊層器件中鹵化物鈣鈦礦的模板生長》為題，發(fā)表在Nature Communications上，博士生陳衛(wèi)清、周順、崔鴻森、孟威威(華南師范大學特聘副研究員)為論文的共同第一作者，柯維俊教授為論文的唯一通訊作者。
 

 

　　除了窄帶隙錫鉛混合鈣鈦礦外，構筑全鈣鈦礦疊層電池還需要高性能的寬帶隙混合鹵素鈣鈦礦。然而，由于結晶過程不可控，寬帶隙混合鹵素鈣鈦礦電池往往表現(xiàn)出較差的薄膜質量。針對這一問題，研究團隊提出了一種通過在鈣鈦礦前驅體溶液中引入甘氨酰胺鹽酸鹽分子的方法，顯著提高了寬帶隙鈣鈦礦的薄膜質量和器件性能。該方法通過調節(jié)制備過程中的形核結晶速度，使晶粒增大、缺陷密度降低，形成高取向的寬帶隙鈣鈦礦薄膜，從而顯著延長了載流子壽命。實驗結果顯示，采用該方法制備的1.77 eV帶隙刮涂鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了當時世界最高效率19.97%。此外，基于優(yōu)化后的寬帶隙鈣鈦礦構筑的兩端刮涂全鈣鈦礦疊層電池也實現(xiàn)了26.87%的高光電轉換效率。相關研究成果以“Efficient Blade-Coated Wide-Bandgap and Tandem Perovskite Solar Cells via a Three-Step Restraining Strategy” 《基于三步抑制策略的高效刮涂寬帶隙和疊層鈣鈦礦太陽能電池》為題，發(fā)表在Advanced Materials上，博士生方鴻翼為論文的第一作者，博士生蒲德馨、方國家教授、柯維俊教授為論文的共同通訊作者。
 

        系列研究工作得到了國家自然科學基金和武漢大學科研公共服務條件平臺的支持。