物構所鈣鈦礦太陽能電池研究獲進展

　　有機-無機雜化鈣鈦礦因其優異的光電子性能，受到全世界研究者的關注。其作為活性層制備的太陽能電池，光電轉換效率已超過25%，接近單晶硅電池的最高值。然而，通過低溫溶液法制備的鈣鈦礦薄膜通常是多晶的。多晶薄膜，在其表面和晶界處容易產生缺陷，會捕獲光生電荷，導致額外的非輻射復合能量損失，限制了器件的開路電壓和整體性能。鈍化是一種有效減少缺陷、抑制非輻射復合的方法。路易斯堿、PbI2、PMMA高分子材料等被成功應用于鈍化鈣鈦礦的缺陷。其中有機胺鹽，例如苯乙胺碘（PEAI）也被成功用來鈍化鈣鈦礦表面，提升器件的開路電壓。然而，PEAI處理的鈣鈦礦對溫度敏感，在高溫下PEAI本身會發生反應形成二維鈣鈦礦，影響器件的穩定性；此外，銨鹽的鈍化機制還需要更多的研究。

　　中國科學院福建物質結構研究所功能納米結構設計與組裝重點實驗室高鵬課題組采用具有大體積的1-萘甲胺碘(NMAI)來鈍化鈣鈦礦表界面。與PEAI一樣，NMAI在強極性的二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，與PbI2混合一步旋涂可形成2D鈣鈦礦，并且曾經被成功應用來制備高效的2D/3D鈣鈦礦LED器件。但是NMAI在弱極性的異丙醇(IPA)溶液中，后處理3D鈣鈦礦薄膜時，表現出與PEAI不同的性質。XRD的測試表明，即使在高達100℃的高溫下，處理后的3D鈣鈦礦薄膜表面絕大部分的銨鹽未參與離子交換反應，僅形成極少量的2D鈣鈦礦。因此在完整的電池器件中，介于鈣鈦礦和空穴傳輸層之間的NMAI層起到了以下幾個協同鈍化效果：首先，NMAI本身的兩性離子性質能夠鈍化鈣鈦礦的表面離子缺陷；其次，NMAI與鈣鈦礦表面相互作用形成界面偶極，誘導真空能級彎曲，進而改善界面的能帶匹配；最后，絕緣的NMAI能夠起到電子阻擋的作用。NMAI層的多重鈍化效應，使得所制備的鈣鈦礦電池器件表現出較高的電致發光效率，有力地表明了鈣鈦礦和空穴傳輸層界面的非輻射復合大大減少。在一個標準太陽光照射下，器件的開路電壓最高達到1.20 V，光電轉換效率最高超過21%。相關研究結果發表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials, 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000197）。

　　該工作為銨鹽的鈍化提供了新的思路和理解，并為鈣鈦礦的鈍化進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率提供指導。

福建物構所鈣鈦礦太陽能電池研究獲進展