近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授丘龙斌团队在反式钙钛矿太阳能电池方向取得重要进展。相关成果以“Anion Exchange Promoting Non-Impurities Enables Conformable and Efficient Inverted Perovskite Solar Cells”为题发表在国际学术期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上。

反式钙钛矿太阳能电池已在单结电池中实现了超过26%的光电转换效率。两步连续沉积工艺具备易于控制钙钛矿的结晶速度、克服溶剂的不相容性和重复性良好等优势，进一步采用蒸镀 PbI₂，不仅可以避免 DMF、DMSO 等有毒溶剂的使用，减少溶剂挥发过程带来的薄膜缺陷，还可以在大面积绒面硅上保角沉积钙钛矿，实现高质量钙钛矿/绒面硅叠层太阳能器件的制备。然而，在反式结构钙钛矿太阳能电池制备过程中，采用两步连续沉积工艺制备的效率远低于一步沉积工艺。这主要归因于 PbI₂ 与有机盐之间的不完全反应，从而导致多种杂质相的生成，严重影响器件的光伏性能。因此，开发一种有效的策略来促进蒸镀 PbI₂ 与有机盐完全反应并抑制杂质相生成至关重要。

图1 离子交换策略对钙钛矿结晶过程的影响

本研究提出了一种离子交换策略调控钙钛矿的成膜过程，这种策略可以促进有机盐向蒸镀 PbI₂ 底部扩散，充分反应后有利于得到高质量的纯相钙钛矿薄膜（图1）。通过离子交换策略，基于蒸镀-旋涂工艺制备的反式钙钛矿太阳能电池实现了24.43%（认证效率24.18%）的光电转换效率，基于蒸镀-刮涂工艺制备的器件实现了 22.22%的光电转换效率。相应电池在储存3672 h和运行682小时后分别保持了98%和95%的初始效率，表现出了优异的稳定性（图2）。因此，这项研究为使用蒸镀-溶液工艺制备高纯相钙钛矿薄膜提供了新思路。 

图2 离子交换策略对钙钛矿太阳能电池性能的影响

本研究通过离子交换策略促进有机盐和蒸镀 PbI₂ 充分反应，成功制备了可共形的纯相均质钙钛矿薄膜，最终研发了高效稳定的反式钙钛矿太阳能电池。这项研究为大面积钙钛矿太阳能电池、绒面硅-钙钛矿太阳能叠层电池和柔性钙钛矿太阳能电池的未来发展和实际应用提供了理论和实验指导。

南方科技大学机械与能源工程系硕士生方骏（现为南方科技大学博士生）、博士后林东旭为论文共同第一作者，丘龙斌为通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。本研究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支持。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE02718C