陜師大劉生忠團隊Adv. Mater.：通過引入添加劑刷新柔性鈣鈦礦太陽能電池效率記錄

【引言】

柔性光伏電池因質量輕、柔韌性高、可卷對卷式加工、易于存放及搬運等優勢，在許多新興領域有其潛在應用，比如可穿戴電子器件、便攜式充電池、遠端電源、飛行器件等。有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料由于其優異的光電特性，成本低廉，制備工藝簡單，能帶連續可調等一系列優勢，受到研究者的廣泛關注。尤其在太陽能電池領域，有機—無機雜化鈣鈦礦電池的光電轉換效率已經達到23.3%。鈣鈦礦電池的可低溫溶液加工優勢，使得制備低成本的柔性鈣鈦礦電池成為可能。雖然近幾年柔性鈣鈦礦電池發展較快，但其光電轉換效率效率遠遠低于剛性鈣鈦礦電池。此外，當前高性能的柔性鈣鈦礦太陽能電池主要集中在小面積制造上，難以實現產業化。因此制備大面積高效率的柔性鈣鈦礦電池，仍然是一個挑戰。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學楊棟研究員和劉生忠教授（共同通訊作者），馮江山（第一作者）等人在鈣鈦礦中引入二甲基硫醚（DS）作為添加劑顯著提高了柔性鈣鈦礦電池的性能，器件光電轉換效率最高可達18.40%，為當前已報道的柔性鈣鈦礦電池的最高效率。傅里葉變換紅外光譜表明添加劑DS與Pb2+發生反應生成一種螯合中間物，大大降低鈣鈦礦的結晶速率，進而形成結晶度良好的大尺寸晶粒。同時，使用DS添加劑所制備的鈣鈦礦薄膜與空白樣相比，缺陷密度降低了一個數量級。此外，形成的大尺寸晶粒抑制了晶界處鈣鈦礦的降解，器件穩定性顯著提高。相關成果以題為“Record Efficiency Stable Flexible Perovskite Solar Cell Using Effective Additive Assistant Strategy”為題發表于Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一 鈣鈦礦薄膜表征

（a）MAPbI₃薄膜的SEM
（b）MAPbI₃-DS薄膜的SEM
（c）MAPbI₃及MAPbI₃–DS鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸分布統計
（d）MAPbI₃及MAPbI₃–DS鈣鈦礦薄膜XRD圖譜

圖二 柔性鈣鈦礦電池結構及性能表征

（a）柔性鈣鈦礦電池結構
（b）MAPbI₃–DS鈣鈦礦電池截面的SEM
（c）柔性MAPbI₃、MAPbI₃–DS鈣鈦礦電池正反掃J-V性能曲線
（d）鈣鈦礦電池的穩態電流密度和光電轉換效率輸出
（e）MAPbI₃–DS柔性鈣鈦礦電池在不同彎曲半徑下的光電轉換效率

圖三 柔性鈣鈦礦電池的穩定性研究

圖四 鈣鈦礦薄膜的光學特性及器件載流子動力學研究

（a）鈣鈦礦器件的暗態I-V曲線，以此計算缺陷密度
（b）MAPbI₃、MAPbI₃–DS薄膜的穩態PL光譜
（c）MAPbI₃、MAPbI₃–DS薄膜的瞬態PL光譜
（d）MAPbI₃、MAPbI₃–DS柔性鈣鈦礦電池的EIS圖像

圖五 大面積MAPbI3–DS柔性鈣鈦礦電池的性能表征

（a）不同活性層面積柔性鈣鈦礦電池的J-V曲線
（b）不同活性層面積柔性鈣鈦礦電池的IPCE光譜

【小結】

該研究提出了一種在鈣鈦礦中引入添加劑進而成功調控柔性基底上的鈣鈦礦薄膜質量的技術。MAPbI₃小面積（0.052 cm²）柔性鈣鈦礦電池的效率高達18.40%，大面積 （1.2 cm²）柔性鈣鈦礦電池的效率提高至13.35%，均為當前所報道柔性鈣鈦礦電池效率之最。此外，鈣鈦礦中引入DS添加劑后，柔性鈣鈦礦電池的穩定性顯著提高。該研究為制備高效率大面積柔性鈣鈦礦電池提供了新的實驗思路，在生產大面積柔性鈣鈦礦電池方面有很好的應用前景，推進了其產業化進程。

文獻鏈接：Record Effiiency Stable Flexible Perovskite Solar Cell Using Effective Additive Assistant Strategy（Adv. Mater. 2018，DOI: 10.1002/adma.201801418）

【團隊介紹】

劉生忠教授和楊棟研究員團隊是國內外較早從事鈣鈦礦光電器件研究的團隊之一。團隊研發了鈣鈦礦單晶生長新方法，成功制備了超大尺寸鈣鈦礦單晶，各方面指標均領先領域先進水平【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv. Mater. 2016, 28, 9204-9209; Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837; Nat. Commun. 2017, 8, 16086; Adv. Sci. 2018, 5, 1700471; Adv. Mater. 2018, 1707314; Mater. Today, 2018, in press】。在平面型鈣鈦礦電池和柔性鈣鈦礦電池方面，均先后幾次報道了領域最高效率 【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701757.】。特別是采用獨特的界面修飾方法和雙源共蒸法，平面異質結電池效率超過了20%；發展了優質的TiO2和Nb2O5電子傳輸層的低溫沉積工藝，制備的柔性鈣鈦礦電池效率達到18.4%。同時，團隊在無機鈣鈦礦太陽能電池方向也取得了突出的進展 【ACS Energy Lett. 2017, 2, 1479-1486; Adv. Energy Mater. 2018, 1703246; Adv. Energy Mater. 2018, 1800007; ACS Energy Lett.2018, 3, 970-978】。2017年制備出世界最高效率13.7%的二維鈣鈦礦電池（Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2095）; 2018年采取晶界鈍化法制備穩定高效鈣鈦礦太陽電池（Adv. Mater. 2018, 1706576）; 2018年通過實時追蹤技術研究三維鈣鈦礦中間態的形成(ACS Energy Lett. 2018, 3, 1078-1085)；這些成果都達到了同類研究的國際先進水平。

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