圖 橫向鈣鈦礦單晶太陽能電池制備過程

 

      近期，吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的董慶鋒教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表題為“Efficient lateral-structure perovskite single crystal

 

       solar cells with high operational stability”的研究論文，該研究制備出一種基于甲胺鉛碘單晶的橫向結(jié)構(gòu)鈣鈦礦單晶太陽能電池器件，其效率與穩(wěn)定性都是目前報(bào)道中最優(yōu)異的。

 

       有機(jī)無機(jī)鹵素雜化鈣鈦礦材料近十幾年在太陽能電池領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，目前高光電轉(zhuǎn)換效率的器件都是基于鈣鈦礦多晶薄膜。單晶是鈣鈦礦材料另一種重要的存在形式，鈣鈦礦單晶相比多晶材料無晶界的存在，具有很多優(yōu)異的性質(zhì)，比如：更長的載流子擴(kuò)散距離，更弱的離子移動(dòng)效應(yīng)，更高的熱分解溫度，更優(yōu)異的穩(wěn)定性；橫向背接觸太陽能電池結(jié)構(gòu)(Interdigitated back contact) (IBC)是硅太陽能電池中很重要的一種結(jié)構(gòu)并已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，單面背電極結(jié)構(gòu)制備簡單且無需使用昂貴的透明電極，光利用率相比采用透明導(dǎo)電玻璃的傳統(tǒng)疊層結(jié)構(gòu)電池更高，同時(shí)避免了多層結(jié)構(gòu)各層熱膨脹差異等因素引起的器件穩(wěn)定性問題，有望獲得性能更加優(yōu)異的光伏器件。在保持足夠長電極間距使其可低成本制備的同時(shí)，獲得高性能的橫向結(jié)構(gòu)器件是實(shí)現(xiàn)IBC電池的重要前提，而橫向結(jié)構(gòu)器在鈣鈦礦太陽能電池尚屬于有待深入挖掘的一個(gè)重要方向。

 

       對于橫向背接觸結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池，這屬于是一種表面電池，所以活性層的表面性質(zhì)對于器件的性能影響是很大的。鈣鈦礦單晶在生長中，不論單晶使用何種方法生長，當(dāng)單晶與母液分離時(shí)都會(huì)造成單晶表面的破壞，產(chǎn)生大量缺陷。作者通過XPS測試手段證明單晶表面會(huì)產(chǎn)生多余的金屬鉛，這是一種嚴(yán)重影響器件性能的缺陷；這主要是由于有機(jī)鹽在母液中的溶解性大于碘化鉛的溶解度，當(dāng)在取出晶體表面殘留的母液時(shí)會(huì)溶解掉部分有機(jī)鹽產(chǎn)生金屬鉛缺陷以及胺空位。而鈍化這種缺陷以及其他表面缺陷是提升表面電池的一個(gè)重要手段。作者使用痕量的碘甲胺（MAI）溶液簡單處理有缺陷的甲胺鉛碘單晶表面，這樣MAI可以占據(jù)胺空位與金屬鉛相互作用，可以消除金屬鉛缺陷產(chǎn)生的負(fù)面影響。在這種簡單的處理后，作者發(fā)現(xiàn)有少量MAI覆蓋在單晶表面，少量的MAI會(huì)提高晶體表面電勢，作者通過開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測試得到在使用MAI處理的晶體表面電勢平均提高了約80 meV。表面電勢的提高使得在橫向結(jié)構(gòu)中改善了正極與晶體的電勢差，同時(shí)MAI的使用也增加了器件橫向的導(dǎo)電率并大幅提升了器件的填充因子。

 

       對于橫向結(jié)構(gòu)鈣鈦礦單晶太陽能電池器件性能測試，作者測試了不同光強(qiáng)下的器件性能，當(dāng)使用MAI對晶體進(jìn)行處理的器件中，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下1個(gè)太陽光照強(qiáng)度下達(dá)到了11.52%的光電轉(zhuǎn)換效率，而在0.5個(gè)太陽光照強(qiáng)度下達(dá)到了最高的12.76%。經(jīng)過MAI處理的器件由于提升了表面導(dǎo)電率，鈍化了表面缺陷，相比較未經(jīng)過處理的器件在高光強(qiáng)下幾乎無電流損失。作者還通過幾步簡單的制備方法，實(shí)現(xiàn)了大面積橫向鈣鈦礦單晶太陽能電池制備，為鈣鈦礦單晶太陽能電池提出了一個(gè)新方案。在單晶電池范圍內(nèi)作者還首次測量了器件長期工作穩(wěn)定性，令人驚喜的是，該器件在持續(xù)1個(gè)太陽光照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)持續(xù)輸出200小時(shí)幾乎無任何衰減，這主要得益于鈣鈦礦單晶材料及橫向器件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

 

       作者通過該研究提出了一種為實(shí)現(xiàn)更高效的大面積橫向鈣鈦礦單晶太陽能電池可行的制備手段，并將橫向鈣鈦礦單晶太陽能電池的效率提高目前最高的11.52%，但還有很大提升空間。該論文的第一作者是吉林大學(xué)的博士生宋益龍，通訊作者是吉林大學(xué)董慶鋒教授。