光電轉換效率是太陽能電池的核心指標之一，為實現(xiàn)高效率的鈣鈦礦太陽能電池，常采用可與鈣鈦礦形成I型異質結能級結構的二次相碘化鉛（PbI2）來阻擋載流子在多晶鈣鈦礦晶界或表面缺陷處復合。此前，中國科學院半導體研究所發(fā)現(xiàn)基于二次相PbI2的鈣鈦礦電池較難兼顧效率和穩(wěn)定性（Advanced Materials，2017,29,1703852），原因在于PbI2二次相的存在或提供了鈣鈦礦分解以及離子移動通道，使鈣鈦礦材料以及電池器件長期穩(wěn)定性較差，且易產生較大的電滯。因此，如何設計穩(wěn)定的二次相，既能實現(xiàn)鈍化鈣鈦礦缺陷，又能獲得穩(wěn)定的鈣鈦礦吸光材料，從而實現(xiàn)既高效又穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池是當前該領域的重要課題之一。
近日，半導體所研究員游經碧帶領團隊發(fā)現(xiàn)，通過在鈣鈦礦材料中引入少量氯化銣（RbCl），可將常見的引起鈣鈦礦不穩(wěn)定的二次相PbI2轉化成為全新的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好的(PbI2)2RbCl（簡稱PIRC）（圖1A、B）。研究實現(xiàn)了85oC條件下鈣鈦礦材料熱穩(wěn)定性大幅度提升，同時鈣鈦礦材料的離子遷移勢壘提高了3倍，離子遷移得到有效抑制（圖1C、D）。此外，研究發(fā)現(xiàn)通過抑制PbI2消除了鈣鈦礦/PbI2界面的強限域導致的能帶變大問題，減小了鈣鈦礦材料的帶隙，擴展了對太陽光吸收范圍。基于獲得的高穩(wěn)定性、光吸收擴展的鈣鈦礦材料，該團隊研制出認證效率為25.6%的鈣鈦礦太陽能電池（圖2A），為目前公開發(fā)表的單結鈣鈦礦太陽能電池世界最高效率。電池器件1000小時放置和85攝氏度加速老化分別保持初始效率的96%和80%（圖2B、C）。該工作同時實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池的高光電轉換效率和高穩(wěn)定性，為鈣鈦礦電池的進一步發(fā)展以及產業(yè)化奠定了堅實的基礎。
相關研究成果以Inactive (PbI2)2RbCl stabilizes perovskite films for efficient solar cells為題，發(fā)表在Science上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學基金、中科院創(chuàng)新交叉團隊、國家優(yōu)秀青年科學基金、中南大學、北京市科學技術委員會，以及中南大學、上海同步輻射光源、武漢大學等的支持。
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圖1.A、具有PIRC二次相鈣鈦礦的掃描電子顯微鏡照片；B、有無PIRC的鈣鈦礦薄膜X射線衍射圖譜（插圖為局部放大圖）；C與D分別為有無PIRC的鈣鈦礦電導與溫度關系圖。
圖2.A、第三方權威機構美國Newport認證書，認證效率為25.6%，插圖為認證效率曲線；B、有無穩(wěn)定二次相PIRC器件放置的電流-電壓曲線；C、有無穩(wěn)定二次相PIRC器件在85oC加速老化下的穩(wěn)定性。
