12.4%!上科大非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率破紀(jì)錄

:在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院寧志軍課題組在非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池方面取得重要進(jìn)展。通過器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)將錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開路電壓提高到了0.94 V，實(shí)現(xiàn)了12.4%的光電轉(zhuǎn)化效率，這是目前國(guó)際上已報(bào)道的穩(wěn)態(tài)輸出效率最高的非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。該成果以“Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design”為題，在Nature Communications上發(fā)表。

太陽(yáng)能電池已成為一項(xiàng)重要的清潔可再生能源利用技術(shù)?；阝}鈦礦的單節(jié)和疊層電池是目前最有前景的新型高效低成本太陽(yáng)能電池。但是目前的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池大多基于重金屬鉛的材料體系，可溶性的重金屬鉛帶來(lái)的環(huán)境問題將阻礙其商業(yè)化進(jìn)程，因此環(huán)境友好型的非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是重要的研究方向。

錫基鈣鈦礦具有和鉛鈣鈦礦相似的電子結(jié)構(gòu)和相媲美的半導(dǎo)體性質(zhì)，包括高吸光系數(shù)、高載流子遷移率和理想的帶隙，是環(huán)境友好型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的理想材料。但是相比于鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開路電壓較低，目前性能最好的錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池開路電壓在0.6 V左右、光電轉(zhuǎn)化效率在10%左右，均遠(yuǎn)低于鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。限制其性能提升的主要原因是錫鈣鈦礦較低的空位形成能導(dǎo)致較多缺陷，二價(jià)錫容易被氧化成四價(jià)錫造成結(jié)構(gòu)畸變。此外，錫器件的電子傳輸層能級(jí)和錫鈣鈦礦較淺的能級(jí)不匹配也是一個(gè)重要的因素。

針對(duì)上述問題，在前期的工作中，寧志軍課題組引入低維錫鈣鈦礦來(lái)制備錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。相比于三維結(jié)構(gòu)，低維錫鈣鈦礦的氧化需要更高的能量，因此引入低維結(jié)構(gòu)能提高鈣鈦礦的本征穩(wěn)定性。此外，在鈣鈦礦外進(jìn)行有機(jī)分子的包覆可以抑制鈣鈦礦和氧氣的接觸，進(jìn)一步提高了鈣鈦礦的抗氧化能力。低維結(jié)構(gòu)的引入使器件的效率和穩(wěn)定性得到了提高?；诘途S結(jié)構(gòu)的錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了5.9%的光電轉(zhuǎn)化效率1。

在上述低維錫鈣鈦礦的基礎(chǔ)上，寧志軍課題組利用NH4SCN進(jìn)一步調(diào)控錫鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程，最終形成2D-準(zhǔn)2D-3D梯度結(jié)構(gòu)的錫鈣鈦礦薄膜。該梯度結(jié)構(gòu)鈣鈦礦表面具有單層2D結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步增強(qiáng)薄膜的抗氧化性。硫氰酸銨的加入增大了晶粒尺寸，降低了薄膜缺陷濃度并提高了載流子傳輸速率?；谔荻冉Y(jié)構(gòu)的錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了9.4%的光電轉(zhuǎn)化效率2。

在最近的工作中，寧志軍課題組重新進(jìn)行了錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。研究人員利用LUMO能級(jí)較淺的富勒烯衍生物ICBA取代常用的PCBM做為電子傳輸層材料（圖1a），提高了光照條件下的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)位置。ICBA還抑制了碘離子遷移帶來(lái)的n型摻雜，降低了傳輸層和錫鈣鈦礦界面的載流子復(fù)合。以ICBA為電子傳輸層的錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了0.94 V的開路電壓，并取得了12.4%的第三方實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的光電效率（圖1b），這是目前錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率最高值（圖2）3。

近幾年來(lái)，寧志軍課題組通過在材料和器件兩個(gè)方面的研究，使錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率得到了大幅提高，尤其是低維錫鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的引入對(duì)錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。隨著器件效率的上升，錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，已經(jīng)成為了環(huán)境友好非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中效率最高和最有前景的一種。

本篇論文的第一作者為物質(zhì)學(xué)院2018級(jí)博士研究生姜顯園，共同第一作者為2017級(jí)博士研究生王飛，第一完成單位為上海科技大學(xué)。該工作獲得了蘇州納米所陳立桅研究員、陳琪副研究員和聯(lián)培博士生王成的大力支持。毗鄰上海科技大學(xué)的上海同步輻射光源為該研究提供了材料結(jié)構(gòu)表征的平臺(tái)。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上科大科研啟動(dòng)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市科委的支持。

圖1：（a）錫基鈣鈦礦電池的能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖，（b）AM1.5G光照下基于不同電子傳輸層的器件J-V曲線圖。

圖2：錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率發(fā)展圖

原標(biāo)題:12.4%!上科大非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率破紀(jì)錄