【成果簡介】

近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心熊奕敏課題組副研究員曹亮與中科院上海應用物理研究所高興宇課題組、蘇州大學孫寶全課題組合作，發(fā)現(xiàn)提高有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶相純度，能有效消除鈣鈦礦太陽能電池器件遲滯效應和提升器件性能，并且器件遲滯效應的消除并不依賴于器件結(jié)構。此項研究揭示了鈣鈦礦結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶相純度對器件J-V遲滯效應有重要影響。相關研究成果以題為“Enhanced Crystalline Phase Purity of CH3NH3PbI3-xClx Film for High-Efficiency Hysteresis-Free Perovskite Solar Cells”發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

【圖文導讀】

圖1 表征結(jié)果

(a)掠入射XRD測量示意圖，以及有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜的掠入射XRD譜(X光入射角度2度)。

(b)CH3NH3PbI3-xClx薄膜二維GI-XRD譜。

(c)優(yōu)化薄膜后處理條件后測量的二維GI-XRD譜。

(d， e)基于 r-和g-鈣鈦礦薄膜的反式P-i-N結(jié)構器件J-V曲線。

(f， g)為正式N-i-P結(jié)構器件J-V曲線。

圖2 示意圖

(a)r-鈣鈦礦和g-鈣鈦礦薄膜的Pb 4f7 / 2光譜。

(b)r-鈣鈦礦和g-鈣鈦礦薄膜的I 3d5 / 2光譜。

(c)r-鈣鈦礦和g-鈣鈦礦薄膜的N 1s核心級光譜。

【研究內(nèi)容】

探索新能源材料及器件、利用太陽能應對能源危機已成為一項重要課題。在短短的幾年內(nèi)，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已提升到22.1%，接近單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率(26.3%)。因而，有機-無機雜化鈣鈦礦(ABX3型結(jié)構)材料被認為是下一代太陽能電池材料的有力競爭者。然而，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池走出實驗室實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化仍存在一些問題，如提升高效器件的穩(wěn)定性、降低遲滯效應及實現(xiàn)大面積制備等。

目前廣泛報道的快速退火方法制備的鈣鈦礦太陽能電池器件的J-V曲線表現(xiàn)出明顯的遲滯效應。論文研究人員利用上海光源的掠入射X射線衍射(GIXRD)對制備的CH3NH3PbI3-xClx薄膜進行了系統(tǒng)表征。通過改變X射線的探測深度發(fā)現(xiàn)鈣鈦薄膜結(jié)晶相不純，尤其是薄膜表面存在明顯的多相結(jié)構。

為了明確有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜結(jié)晶相純度，尤其是表面相純度對器件遲滯效應和性能的影響，研究人員通過優(yōu)化后處理條件提高了的CH3NH3PbI3-xClx薄膜的結(jié)晶相純度，消除了薄膜表面的多相結(jié)構?；诖祟惐∧さ钠骷幢憩F(xiàn)明顯遲滯效應，且光電轉(zhuǎn)換性能得到進一步提升。

值得說明的是，器件遲滯效應的消除并不依賴于器件結(jié)構，即正式N-i-P結(jié)構或反式P-i-N結(jié)構，揭示了鈣鈦礦結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶對器件J-V遲滯效應和性能有主要影響。結(jié)合XPS和SEM結(jié)果，充分說明有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜表面結(jié)晶相純度影響表面或者晶界處低配位的Pb和I離子。這些離子作為電荷陷阱，導致遲滯效應及低光電轉(zhuǎn)化效率。因此，提高鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶性、尤其是表面的結(jié)晶相純度，有利于開發(fā)高性能無遲滯有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池。

中科院上海應物所楊迎國、馮尚蕾和蘇州大學許衛(wèi)東為本文共同第一作者，高興宇、曹亮和孫寶全為論文共同通訊作者。該研究成果得到了上海光源BL14B衍射線站、國家自然科學基金項目、中科院百人計劃項目等的資助。