Small Structures:实现高开路电压钙钛矿太阳能电池的有效策略:晶体生长调控、缺陷钝化、能带调节

由于其优异的光电性质,金属卤化物钙钛矿材料在光伏领域受到极大的关注。近十年来,钙钛矿太阳能电池的能量转化效率节节攀升,从2009年的3.8%到2020的25.5%,逐渐逼近理论模型预测的最高理论效率32%。对于太阳能电池来说,其能量转化效率主要取决于三个重要参数:短路电流,开路电压以及填充因子。相较已经很难继续提升的短路电流,继续提升该类光伏器件性能的关键在于如何减少在开路电压上的损失。从材料和器件物理方面来说,钙钛矿太阳能电池的开路电压损失主要来自于多种缺陷引起的非辐射复合以及功能层之间的能带不匹配。针对这一问题,澳大利亚昆士兰大学纳米材料中心王连洲教授团队的陈鹏博士和白杨博士从晶体生长调控、缺陷钝化、能带调节等多个角度系统地总结了减少钙钛矿太阳能电池开路电压损失的关键策略,并讨论了该领域现存的挑战以及相对应的可行性方案,为继续提升器件性能提供了新的研究思路。相关结果发表在Small Structures(DOI:10.1002/sstr.202000050)上。

该综述首先探讨了如何通过前驱体溶液的组分和旋涂工艺来调控多晶钙钛矿薄膜的晶体生长过程来抑制钙钛矿晶粒的内部缺陷形成,以减少器件的开路电压损失。各类前驱体溶液的添加剂比如碱金属卤化物、富勒烯类小分子以及带有功能基团的低聚物等也可以有效地钝化钙钛矿薄膜晶界和表面的点缺陷,提升器件开路电压。其次,对钙钛矿薄膜进行后处理,特别是有机胺类卤化物,可以大大抑制载流子在传输层界面上的非辐射复合,从而实现更高的开路电压。同时,使用与钙钛矿层能带匹配的电子和空穴传输层也是实现器件高开路电压的必要保障。除已报道的有效策略之外,该综述还对继续减少钙钛矿薄膜晶体内部、晶界和表面以及功能层界面上的电压损失进行了展望,提出了一些可行性方案,比如以机器学习来快速筛选高效钝化剂、中间相工程控制结晶速率、新型测试手段精确锚定能带位置等,以期能进一步提升钙钛矿太阳能电池的能量转化效率。