科學家破解鈣鈦礦電池壽命基因難題，竟然是這樣

發布時間：2023-11-03 09:38 原文鏈接：科學家破解鈣鈦礦電池壽命基因難題，竟然是這樣

　　中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所、中國科學院光伏與節能材料重點實驗室研究員潘旭和田興友團隊，與韓國成均館大學教授Nam-Gyu Park、華北電力大學教授戴松元合作，在反式鈣鈦礦太陽電池研究方面取得新突破。該研究首次發現了鈣鈦礦陽離子面外分布不均勻是影響電池性能的主要原因，并通過設計1-（苯磺酰基）吡咯（PSP）作為添加劑均勻化鈣鈦礦薄膜相分布，獲得了26.1%的光電轉換效率（PCE）。11月2日，相關研究成果加速在線發表在《自然》（Nature）上。

　　鈣鈦礦太陽電池是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，屬于新概念太陽能電池。經過多年發展，傳統的界面鈍化及結晶調控方法在較大程度上推動了電池效率的提升，但近年來在相關研究中電池效率提升的速度明顯放緩，遇到了“瓶頸”。科研人員發現鈣鈦礦薄膜內往往不可避免的發生相分離現象。該團隊前期工作表明有效管理鹵素相分離有助于提高器件性能。高效率鈣鈦礦材料往往通過采用純碘體系下的陽離子摻雜組分獲得，尤其是FA1-xCsxPbI3體系，不同的陽離子組分在鈣鈦礦體相面外方向的分布對鈣鈦礦體相載流子擴散及界面抽取至關重要。研究陽離子面外方向分布，有助于探討鈣鈦礦體相載流子動力學過程，更有望推動鈣鈦礦太陽電池效率的進一步提升。然而，鈣鈦礦體相的不同陽離子組分分布以及影響電池穩定性和效率損失的原因尚不清楚。

　　基于此，該團隊從FA1-xCsxPbI3體系出發，通過元素定量分析，探究了甲脒（FA）與銫（Cs）陽離子的縱向分布，結合飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）與X射線光電子譜（XPS），剖析并發現了無機Cs陽離子傾向于沉積在薄膜底部、有機FA陽離子在薄膜上界面處富集。以此為基礎，該研究探析了鈣鈦礦薄膜晶相分布，通過掠入射X射線衍射（GIXRD）與薄膜截面的透射電鏡（TEM）分析，證明了在薄膜底部存在面間距較小的晶相，且在薄膜底部顯示出與富Cs鈣鈦礦相關的特征信號。上述實驗說明陽離子面外方向的梯度不均勻分布，這是首次可視化驗證了鈣鈦礦薄膜的陽離子組分在面外不均勻分布。

　　研究團隊采用原位試驗方法進一步分析了這種梯度不均勻分布的原因，發現了不同陽離子在結晶及相轉變過程中的速率差過大是導致組分不均勻的主要原因。進而，該團隊設計了PSP分子以彌補不同陽離子間的結晶與相轉速率差，制備出均勻化的鈣鈦礦薄膜。這種陽離子組分均勻分布的鈣鈦礦薄膜有效抑制了由底部富Cs相帶來的準I型能級排列，提升了載流子壽命及擴散長度，加強了載流子界面抽取。

　　該研究利用PSP策略制備的反式鈣鈦礦太陽電池，獲得了26.1%的最高效率、25.8%的認證效率。此外，經2500小時最大功率電追蹤后（MPPT），未封裝的器件仍保持初始PCE的92%的可靠運行穩定性。該研究表明通過均勻化鈣鈦礦組分面外分布可獲得優異電池性能，這開辟了提升電池器件穩定性的新途徑，有望打破鈣鈦礦太陽電池的效率瓶頸，為進一步提升高效、穩定的鈣鈦礦太陽電池提出了明確方向，對推動PSCs走向商業化發展具有重要意義。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金和合肥物質院院長基金等的支持。南方科技大學的科研人員參與研究。

　　論文鏈接

　　圖1.鈣鈦礦空間垂直的FA-Cs相分離：（a）由面外FA-Cs偏析引起的不均勻相分布圖；（b）PSP的靜電勢（ESP）圖像和分子結構；（c）對照樣品和PSP器件的飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）光譜陽離子分布；（d）基于深度XPS的原子百分比分布；對照樣品（e）和PSP處理樣品（f）的HAADF透射電子顯微鏡圖像（比例尺參考：200nm）；對照樣品（g）和PSP（h）處理的鈣鈦礦薄膜底部收集的GIXRD光譜。

　　圖2.FA-Cs相分離的起源：（a）原位同步輻射掠入射廣角X射線散射（原位GIWAXS）圖譜揭示了結晶和相變過程；對照樣品（b）和PSP樣品（c）在結晶和相變過程中自由能演化的計算結果示意圖；（d-e）X射線吸收精細結構譜（EXAFS）測量的傅里葉變換R空間結果圖；（f）根據EXAFS測量計算出的Pb-O配位比圖；（g）PSP和PSP（PbI2）絡合物的FTIR譜圖。