Advanced Energy Materials:富溴钙钛矿籽晶诱导法制备高效、稳定的钙钛矿太阳能电池

随着人类文明步入21世纪,百年工业文明的弊端也逐步凸显——空气污染、全球变暖、化石燃料日渐枯竭……人类对于新型清洁能源的需求愈发迫切。太阳能作为无污染、总量几乎无穷的新型能源,得到了全世界科研人员极大的关注,光伏领域因此得到蓬勃发展。而以有机无机杂化钙钛矿为核心吸收层的新一代太阳能电池器件,由于性能优异,掀起了光伏研究的热潮。

有机无机杂化钙钛矿以其光吸收系数高、载流子扩散距离长、制备方法简单、带隙连续可调等特性,被广泛认为是发展下一代光伏器件的理想材料。自2009年以来,仅仅历经10年的发展时间,钙钛矿太阳能电池的能量转化效率已经达到25.2%,发展速度为各类太阳能电池之最。但是,由于钙钛矿太阳能电池当前面临的热稳定性、长时间工作稳定性等问题,严重阻碍了其商业化应用发展路途。针对于此,北京大学物理学院赵清教授课题组进行了深入的研究,利用材料工程方法,设计了富溴钙钛矿籽晶诱导生长两步旋涂法,实现了钙钛矿两步制备方法下溴离子的高效掺杂,有效地提高了钙钛矿太阳能电池器件的长时间工作稳定性。相关研究得到了国家自然科学基金委的支持,研究成果在线发表于Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201902239)。

在富溴钙钛矿籽晶诱导生长两步旋涂法制备过程中,通过在碘化铅薄膜中引入微米级富溴钙钛矿籽晶,一方面提供后续钙钛矿生长所需的成核位点、诱导薄膜生长、提高薄膜生长质量,另一方面为钙钛矿生长提供充足的溴元素,解决两步法中溴离子难以有效掺杂的问题。通过改变钙钛矿籽晶的添加量,可以实现对钙钛矿成核、晶粒大小、缺陷态密度等的精确调控,实现对最终钙钛矿成分与带隙的精准控制。测试表明,利用富溴钙钛矿籽晶诱导生长两步旋涂法制备得到的钙钛矿太阳能电池器件,其能量转化效率可以达到21.5%;令人兴奋的是,其长时间工作稳定性得到了显著提高,在AM1.5G太阳光下持续工作500小时后,仍然能保持超过80%的初始效率。这一成果远远超过传统两步法仅有的数小时稳定性,在整个钙钛矿领域内也已跻身先进行列。该项研究表明,溴元素对钙钛矿材料长时间工作稳定性具有至关重要的作用;同时,该项研究在钙钛矿两步制备方法下,提供了一条简单、高效、稳定的溴掺杂方法。研究者相信,此研究将为钙钛矿领域内卤素离子的均匀高效掺入、器件长时间工作稳定性的提高等问题提供新的思路。