柯维俊与方国家教授团队在叠层太阳能电池研究取得新进展

发布时间：2024-03-29 15:27 来源：物理科学与技术学院阅读:

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新闻网讯（通讯员物轩）近日，Nature Communications（《自然⸱通讯》）和Advanced Materials（《先进材料》）相继刊登了武汉大学柯维俊、方国家教授团队关于钙钛矿叠层太阳能电池的最新研究成果。博士生周进、管红令分别为两篇论文的第一作者，武汉大学柯维俊教授、方国家教授和华南师范大学孟威威特聘副研究员为论文的通讯作者，武汉大学王倜研究员等人为论文的共同作者，武汉大学为第一通讯单位。

钙钛矿太阳能电池有着制备工艺简单、带隙可调、吸光能力强、载流子扩散距离长等优点，在光伏领域有着较大的发展潜力。近十年来，人们对钙钛矿半导体材料与光伏器件的研究不断取得新进展，钙钛矿太阳能电池的各项性能也不断提升，如今单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到了26.2%，但是其效率提升将变得越来越困难。相较于单结钙钛矿太阳能电池，全钙钛矿叠层电池有着更高的理论效率，可以突破单结电池的Shockley–Queisser效率极限，近年来呈现出了很大的发展潜力。

窄带隙锡铅混合钙钛矿是全钙钛矿叠层电池的主要组成部分。然而，锡铅混合钙钛矿始终面临着两大主要难题，即二价锡离子的氧化问题和锡基钙钛矿与铅基钙钛矿之间的结晶不平衡问题。基于此，作者提出了一种分子掺杂的策略，通过分子间相互作用构建了中间相，平衡了锡铅混合钙钛矿的结晶过程，提升了晶体质量和结晶均匀性。同时，该策略还可为二价锡离子的氧化构筑势垒，抑制氧分子在晶体表面的吸附，大幅减轻二价锡离子的氧化。此外，该策略还能显著降低晶体的缺陷态密度，抑制载流子的非辐射复合。得益于以上过程，单结窄带隙锡铅钙钛矿太阳能电池的光电转换效率超过了23%，两端全钙钛矿叠层太阳能电池实现稳态效率28.2%。论文题目为“Mixed tin-lead perovskites with balancedcrystallization and oxidation barrier for all-perovskite tandem solar cells”《具有平衡结晶和氧化屏障的混合锡铅钙钛矿用于全钙钛矿叠层太阳能电池》，博士生周进为论文第一作者，该工作发表在Nature Communications。

除了窄带隙锡铅混合钙钛矿，构筑全钙钛矿叠层电池还需要高性能的宽带隙混合卤素钙钛矿。然而，宽带隙混合卤素钙钛矿电池的严重的开路电压损失（VOC）和光致卤化物相偏析是领域内的共性挑战。鉴于此，作者提出了一种通过在钙钛矿前驱体溶液中引入十二烷基苯磺酸（DBSA）分子的方法，大幅度提高了宽带隙钙钛矿的VOC和稳定性。使用该方法能明显增大宽带隙钙钛矿薄膜的晶粒尺寸、优化结晶取向、钝化晶体缺陷、有效抑制光致相偏析和抑制非辐射复合等。将1.66 eV带隙的宽带隙钙钛矿太阳能电池的VOC损失降至0.39 V，同时实现了同类无甲胺基的宽带隙钙钛矿电池的当时世界最高效率22.40%（认证效率21.97%），还显著提高了器件的光稳定性和湿度稳定性。此外，基于优化后的宽带隙钙钛矿构筑的四端全钙钛矿叠层电池实现了28.06%的高光电转换效率。论文题目为“Regulating Crystal Orientation via Ligand Anchoring EnablesEfficient Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells and Tandems”《通过配体锚定调节晶体取向实现高效的宽带隙钙钛矿太阳能电池和叠层电池》，博士生管红令为论文第一作者，该工作发表在Advanced Materials。