小離子帶來大問題：鈣鈦礦太陽能電池的外源離子遷移

　　有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池是當前太陽能光伏領域的研究熱點。鈣鈦礦太陽能電池可以用溶液法制備，同時具有較高的光電轉化效率，未來有望像印刷報紙一樣印刷太陽能電池，使低成本太陽能電池走進千家萬戶。

　　與傳統的薄膜電池不同，鈣鈦礦太陽能電池在不同的測試條件下（不同電壓掃描方向和速度），會表現出不一樣的電流-電壓（J-V）特性，這一現象是鈣鈦礦電池特有的遲滯效應。由于遲滯效應的存在，鈣鈦礦電池的光電轉化效率不能簡單地用J-V曲線測量，電池在串并聯形成組件時遲滯效應更加嚴重。關于遲滯效應產生的原因眾說紛紜，但目前普遍接受的觀點是鈣鈦礦材料中的離子（CH3NH3⁺、I^-等）在電場作用下發生遷移，導致電池界面發生變化。近日，美國可再生能源國家實驗室（NREL）的朱凱研究團隊發現外源離子（Li⁺、H⁺、Na⁺）也可以在鈣鈦礦電池中遷移并造成遲滯，而且由外源離子產生的遲滯效應甚至大于鈣鈦礦的本征離子。該發現首次揭示了外源離子在鈣鈦礦太陽能電池中發揮的重要作用，并且可以解釋不同結構鈣鈦礦電池之間的遲滯效應（反式結構電池通常不添加外源離子，遲滯效應通常較小）。

　　作者首先發現在空穴傳輸層（spiro-OMeTAD）中摻雜不同量的鋰鹽時，隨鋰鹽添加量的增加電池的遲滯現象逐漸增大，而在沒有添加鋰鹽的電池中幾乎觀察不到遲滯。在spiro-OMeTAD中添加鋰鹽通常是為了提高導電性，但遲滯現象的變化促使他們深入研究鋰鹽可能發揮的其他作用。作者通過飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)發現，Li⁺離子會擴散遷移到鈣鈦礦電池的內部，并在TiO₂層中富集。研究人員進一步通過瞬態熒光（TRPL）和凱爾文表面電勢顯微鏡（KPFM）等實驗證明電池中的Li⁺會被電場驅動遷移并嵌入TiO₂的表面，改變鈣鈦礦/TiO₂界面的電場，從而影響界面內的電荷分離效率。通過比較有無Li⁺離子鈣鈦礦電池的遲滯現象，可以發現鈣鈦礦自身離子遷移產生的遲滯較小且響應較慢，而外源離子Li⁺產生的遲滯較大，響應也更快。因此，外源離子對鈣鈦礦太陽能電池的影響不容小覷。

　　他們還進一步研究了其他外源離子對鈣鈦礦太陽能電池的影響，發現H⁺和Na⁺離子對電池也具有類似的影響，加入這些離子后電池的遲滯現象也得以加大。這些結果進一步表明了外源離子遷移對鈣鈦礦太陽能電池的重要影響，對鈣鈦礦太陽能電池的性能和長期穩定性都可能造成影響。外源離子遷移可能的擴展應用包括利用電場控制離子進出鈣鈦礦材料，有望實現對其光電性能的電致調控。這一成果近期發表在Energy Environmental Science 上，文章的第一作者是美國可再生能源實驗室的李禎博士。