近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授丘龙斌研究团队针对钙钛矿光伏组件及叠层器件界面电荷复合及可规模化沉积工艺设计进行了系统研究并取得一系列研究进展，相继发表在Advanced Functional Materials，Advanced Science，Small，Journal of Alloys and Compounds等国际期刊上发表4篇论文。

近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料因其具有带隙可调，长的载流子扩散长度，高的吸光系数以及低的载流子结合能等优异的光电特性而引起了研究者的广泛关注。目前，单结的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已从最初的3.8%上升到26.1%。然而，高效钙钛矿太阳能电池的长期稳定性以及可重复性依然是制约其进一步发展的关键问题。由于钙钛矿材料是离子型化合物，在快速结晶过程中会产生各种缺陷，这些缺陷会严重影响钙钛矿的光电转化效率和长期稳定性。众所周知，钙钛矿太阳能电池的埋底界面存在大量的孔洞和缺陷，导致严重的非辐射复合。因此，钝化埋底界面缺陷对于实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池具有十分重要的作用。本研究团队提出了以介电层氧化铝纳米颗粒和PEABr修饰钙钛矿埋底界面的策略，减少了埋底界面的孔洞，形成平坦而致密的形貌，显著改善了钙钛矿和空穴传输层的接触。同时，采用PEABr钝化钙钛矿表面缺陷，抑制钙钛矿表面的非辐射复合。该双层钝化的策略大幅度提升了反式器件的开路电压，从而使得反式钙钛矿太阳能电池小面积（0.1 cm²）和大面积PSCs（1.0 cm²）的能量转换效率分别达到23.1%和22.4%，并在最大功率点分别跟踪1200和2500小时后保留了初始效率的96%和89%。这项工作提供了一种通过介电层氧化铝和有机胺分子钝化钙钛矿上下界面来降低反式钙钛矿太阳能电池界面处电压损失和提高电池稳定性的有效方法。该研究成果以“Buried Interface Dielectric Layer Engineering for Highly Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells and Modules”为题发表在Advanced Science上。

图1.氧化铝纳米颗粒钝化钙钛矿埋底界面示意图及上下界面钝化器件性能对比图。

高质量的电荷传输层和光活性钙钛矿层的制备有望实现可规模化、高效率、长期稳定的钙钛矿光伏组件。在各种空穴传输材料中，氧化镍已被研究用于高效稳定的钙钛矿太阳能电池。传统的沉积方法或较难进行大规模保形沉积，或需要高真空工艺。化学浴沉积通过溶液工艺可实现均匀、共形和可规模化的涂层。然而，传统的化学浴沉积氧化镍需要较高的退火温度，这阻碍化学浴沉积氧化镍在聚合物基底和绒面结构硅底电池上进行制备。因此，一个较低的加工温度尤为重要。本研究团队报道了一种以氨基醇为配体可控镍离子释放和沉积方法，在270 °C的低煅烧温度下得到均匀、共形的氧化镍薄膜。反式结构钙钛矿太阳能电池和大面积太阳能组件的能量转换效率分别达到22.03%和19.03%。本工作中所报道大面积氧化镍薄膜的高效、低温、可规模化的化学浴沉积路线有望进一步提高其在大面积光伏组件的应用。该研究成果以“Low-Temperature Chemical Bath Deposition of Conformal and Compact NiOX for Scalable and Efficient Perovskite Solar Modules”为题发表在Small上。

图2.化学浴沉积的氧化镍薄膜在不同配体下的沉降模型，以及薄膜不均匀沉积的解决方案。

近年来，国内外研究者们开发了多种可规模化制备钙钛矿太阳能电池的工艺。这些可规模化的工艺主要分为溶液法、气相法和气相-溶液法。溶液法对设备要求较低，机理研究深入，并且容易实现组分调节、材料结构设计以及添加剂工程。然而，溶液法通常要用到DMF、DMSO等有毒溶剂来溶解钙钛矿或者PbI₂，对人体和环境伤害很大。并且如果这种方法实现工业化生产，后续有毒废液的处理也会增加生产成本。气相法也是一种适合大规模制备半导体薄膜的工艺，它的优势在于能够直接避免有毒溶剂的使用。并且气相法的制备不受传输层基底亲疏水性、表面特征结构等因素的影响，这也提供更多的电荷传输层选择。然而，气相法对设备要求高。并且，有机材料加热蒸发后呈现弥散性，如何精准调控有机盐的蒸发速率也是一个不可避免的难题。因此，如何实现溶液法和气相法的优势互补，对发展绿色高效的钙钛矿器件具有重要研究意义。团队报道了一种蒸镀-刮涂工艺并结合温度辅助晶体生长策略制备高质量的钙钛矿薄膜。最终基于此工艺制备的正式器件实现了19.8%的光电转换效率。也是目前蒸镀-刮涂法制备器件的最高效率之一。这种工艺为未来绒面硅-钙钛矿太阳能叠层电池的工业化生产提供了一种高效可行的途径。该研究成果以“Controllable Blading Interdiffusion of Formamidinium Iodide on Thermal Evaporated Scalable and Conformal Lead Iodide for Efficient Perovskite Solar Cells”发表在Journal of Alloys and Compounds上。

图3. 两步法制备钙钛矿薄膜流程示意图及不同刮涂工艺器件效率图。

目前，单节钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到了26.1%，已经非常接近其SQ理论极限值。为了突破此单节太阳能电池的SQ极限值，构建多节叠层太阳能电池可以更有效地利用太阳能，降低热载流子损失，有望实现光电转换效率大于40%。在各种叠层器件中，钙钛矿-有机叠层太阳能电池利用了有机光活性层材料和钙钛矿对光的互补吸收的特性，具有杰出的优势。然而，叠层器件中所用到的宽带隙钙钛矿由于含有较高的Br含量导致易于产生严重的相分离，这不利于器件的稳定性。如今解决该问题主要是通过界面工程、体相工程、添加剂工程来抑制相分离，这些方式都需要额外添加材料或条件使得制备工艺变得更加复杂或者容易引入其它类型的缺陷。

另一方面，制备叠层太阳能电池的连接层（ICL）结构通常包含三个部分：空穴传输层/复合层/电子传输层，目前大部分连接层使用的是透明金属氧化物或一层超薄的金属（1 nm Au或Ag）作为复合层，这些复合层通常需要使用高真空或高能设备，比如磁控溅射或热蒸镀等制备方法，工艺比较复杂，且这些透明金属氧化物或即使一层超薄的金属都不可避免的造成光的寄生吸收，即阻挡光的透过被背部电池吸收，从而造成了器件的光学及电学损失。

丘龙斌研究团队提出了一种基于SnOX的无金属高导电性连接层结构，制备钙钛矿-有机叠层太阳能电池，前电池为宽带隙钙钛矿，背电池为窄带隙有机半导体，通过中间连接层串联连接。该简化的连接层有助于增强器件近红外区域的光俘获，最终实现器件效率为22.3%。此外，简化的连接层结构对于实现大规模制备及柔性叠层太阳能电池具有杰出的优势。该研究成果以“Phase Segregation and Voltage Loss Mitigated Highly Efficient Perovskite-Organic Tandem Solar Cells with a Simple Ambipolar SnOX Interconnecting Layer”为题发表在Advanced Functional Materials上。

图4. 叠层太阳能电池连接层及抑制相分离和减少电压损失

丘龙斌为以上系列研究工作论文通讯作者，南科大为论文第一单位，第一作者分别为南方科技大学博士后李欢、南方科技大学-哈尔滨工业大学联合培养博士研究生李思博、南方科技大学硕士研究生方骏、南方科技大学博士研究生谢观水。以上研究工作得到了国家自然科学基金项目、广东省科技计划项目、深圳市科技创新计划项目、深圳市政府和南方科技大学科研启动等基金的资助。

论文链接：

1、https://doi.org/10.1002/advs.202300586 

2、https://doi.org/10.1002/smll.202301110 

3、https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.170255 

4、https://doi.org/10.1002/adfm.202308794 

供稿：机械与能源工程系

通讯员：邓苏

主图：丘妍

编辑：朱增光