華北電力大學李美成團隊Nature Energy:平面p-n同質結鈣鈦礦電池效率超過21.3%

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其高的光電轉換效率及簡單廉價的制備工藝，在光伏領域掀起了新的研究熱潮，是當前發展最快的新一代薄膜光伏器件。短短幾年內，有機-無機雜化鈣鈦礦電池最高認證效率已經達到23.7%，與商業化的晶硅太陽能電池相當。最近的研究表明，盡可能減少鈣鈦礦層內及界面處載流子的復合損耗，可使光電轉換效率接近理論值，主要策略包括：減少多晶鈣鈦礦薄膜內部缺陷（如引入多余碘離子降低深能級缺陷密度）以及設計采用介孔、平面或嵌入式器件結構來減少電子和空穴傳輸/提取過程中的載流子損耗。由于鈣鈦礦材料具有可控的自摻雜性質，在鈣鈦礦層與電子/空穴傳輸層之間形成異質結的同時，其自身也能形成同質結，可引入內建電場來促進電子和空穴的定向傳輸，減少載流子在鈣鈦礦層中的復合。在本文中，研究者團隊首次提出并構建了鈣鈦礦p-n同質結結構，進一步將其應用于平面鈣鈦礦太陽電池中，器件光電效率最高可達21.38%，相比于標準p-i-n異質結鈣鈦礦電池，性能顯著改善。

【成果簡介】

近日，華北電力大學李美成教授（通訊作者），博士生崔鵬、衛東（共同第一作者）等人通過調控前軀體組分的化學計量比，采用聯合沉積法制備鈣鈦礦p-n同質結結構，進而在p-n結處構筑了內建電場，并由器件橫截面的KPFM（開爾文探針力顯微鏡）表征證實，促進光生載流子的定向傳輸，有效減少了載流子的復合損耗。基于MAPbI₃的同質結鈣鈦礦電池認證效率超過20%，FA_0.15MA_0.85PbI₃基的同質結鈣鈦礦電池平均效率可達21.38%，相比于標準p-i-n平面鈣鈦礦電池器件，光電轉換效率和穩定性都有了明顯的改善。相關成果以題為“Planar p–n homojunction perovskite solar cells with efficiency exceeding 21.3%”發表在Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖一 聯合沉積法制備平面同質結鈣鈦礦電池

(a) 無同質結的標準p-i-n平面鈣鈦礦電池結構；
(b) 包含p型和n型鈣鈦礦層同質結的平面鈣鈦礦電池結構；
(c) 同質結鈣鈦礦電池截面SEM，其中TiO₂、n型鈣鈦礦、p型鈣鈦礦、spiro和Au電極的厚度分別為20、480、60、200和100nm；
(d) 底部的n型鈣鈦礦層采用一步旋涂法沉積而成，頂部的p型鈣鈦礦層采用真空氣相沉積后浸漬法沉積制備。

圖二 不同鈣鈦礦電池中載流子的產生和復合研究

(a) 同質結鈣鈦礦電池的能級示意圖；
(b) 不同鈣鈦礦電池中載流子的產生和傳輸示意圖；
(c) AM1.5G光照下，不同鈣鈦礦電池在短路條件下，模擬光生載流子的產生和復合速率。

圖三 鈣鈦礦薄膜的摻雜、載流子傳輸和光學性質表征

(a) 不同PbI₂/MAI摩爾比的MAPbI₃鈣鈦礦薄膜XPS價帶譜，其中摩爾比為0.91的鈣鈦礦為p型，1.05和1.1為n型鈣鈦礦；
(b) p型和n型鈣鈦礦薄膜的能級圖；
(c) 霍爾測試得到的鈣鈦礦薄膜中電子和空穴的濃度和遷移率；
(d, e) MAPbI₃鈣鈦礦薄膜的表面電勢圖，其中p型鈣鈦礦顯示了較低的表面電勢，n型鈣鈦礦顯示了較高的表面電勢，插圖為兩種鈣鈦礦薄膜的表面AFM；
(f) 鈣鈦礦薄膜的表面電勢線掃描圖，由圖d和e的標記位置處得到；
(g) n型和p-n同質結鈣鈦礦薄膜由485nm波長激光激發，在760nm發射波長下測試得到的TRPL光譜；
(h) n型和p-n同質結鈣鈦礦薄膜的穩態PL光譜，其中選用的n型鈣鈦礦中PbI₂/MAI摩爾比為1.15，p型鈣鈦礦為0.91。

圖四 不同偏壓下平面同質結鈣鈦礦器件的截面KPFM表征

(a) 平面同質結鈣鈦礦器件的截面AFM形貌圖；
(b) 圖a相應的KPFM圖；
(c) KFPM圖中青線標記處的電勢掃描圖；
(d) 鈣鈦礦器件在不同偏壓下的電勢掃描圖；
(e) 鈣鈦礦器件不同偏壓下相比于無偏壓時的電勢差圖；
(f) 鈣鈦礦器件在不同偏壓下的電場圖。

圖五 鈣鈦礦電池的光伏性能

(a) MAPbI₃鈣鈦礦電池的最佳J-V性能曲線；
(b) MAPbI₃同質結鈣鈦礦電池最大功率點處的穩態光電流和效率輸出；
(c) MAPbI₃標準p-i-n鈣鈦礦電池和平面同質結鈣鈦礦電池的效率統計；
(d) FA_0.15MA_0.85PbI₃同質結鈣鈦礦電池的最佳正反掃J-V性能曲線。

圖六 鈣鈦礦薄膜和電池器件的穩定性研究

(a, b) 標準p-i-n鈣鈦礦電池和平面同質結鈣鈦礦電池的截面TEM；
(c, d) 標準p-i-n鈣鈦礦電池和平面同質結鈣鈦礦電池的局部截面TEM；
(e, f) 25℃，40%濕度條件下放置不同時間后的鈣鈦礦同質結截面TEM；
(d) 鈣鈦礦電池器件的穩定性測試(未封裝，在空氣中暗處保存)。

【小結】

在該研究中，作者有效地管理了鈣鈦礦材料的缺陷數量，通過自摻雜的方法實現了鈣鈦礦材料載流子濃度和分布的精確調控，建立了鈣鈦礦同質結結構，在改善載流子的定向傳輸的同時，減少了載流子的復合損耗，進而顯著提升平面鈣鈦礦電池的光電性能。基于MAPbI₃的平面同質結鈣鈦礦電池認證效率超過20%，FA_0.15MA_0.85PbI₃基的平面同質結鈣鈦礦電池最高效率可達21.38%。相比p-i-n傳統異質結鈣鈦礦電池，該工作為制備更高效率的平面鈣鈦礦電池開辟了一條有效途徑，同時拓寬了鈣鈦礦材料在太陽電池以外領域的應用。

【團隊介紹】

團隊負責人李美成教授帶領的華北電力大學“新能源材料與器件實驗室”依托“新能源電力系統國家重點實驗室”和"清潔能源學"北京市重點學科，研究與開發新型太陽電池等能量轉換器件、鋰/鈉離子電池等能量存儲器件，以及光纖傳感器等未來能源互聯網和綜合能源系統所需新型電力、信息元器件等傳感器件。
李美成，男，二級教授、博導。現任華北電力大學國家重大科技基礎設施籌建辦公室常務副主任，可再生能源學院副院長。2004年至2006年期間在英國劍橋大學作皇家研究員。2006年入選教育部“新世紀優秀人才”。2009年獲黑龍江省第九屆青年科技獎，并獲黑龍江省自然科學一等獎（第一完成人）。2016年獲北京市科學技術獎，2017年入選北京市百名科技領軍人才，2018年入選國家創新人才推進計劃“科技創新領軍人才”。享受國務院政府特殊津貼專家，教育部高等學校教指委委員（2018-2022）。近年來，在太陽電池及鋰離子電池領域開展了廣泛深入的研究，在Energ. & Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Adv. Sci.等國際知名期刊共發表論文200余篇。

文獻鏈接：Planar p–n homojunction perovskite solar cells with efficiency exceeding 21.3% (Nature Energy. 2019, DOI: 10.1038/s41560-018-0324-8）

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