高效穩定鈣鈦礦太陽能電池研究取得進展

鈣鈦礦太陽能電池具有成本低、光電轉換效率高等優點。經過十多年的快速發展，鈣鈦礦單結電池效率已超過25%，基于鈣鈦礦的多結疊層電池效率已超過30%，鈣鈦礦太陽能電池被認為是未來最具應用潛力的光伏技術之一。

光電轉換效率是太陽能電池的核心指標之一，為實現高效率的鈣鈦礦太陽能電池，人們常采用可與鈣鈦礦形成I型異質結能級結構的二次相碘化鉛(PbI2)來阻擋載流子在多晶鈣鈦礦晶界或表面缺陷處復合。早期半導體所團隊曾發現基于二次相PbI2的鈣鈦礦電池較難兼顧效率和穩定性(Advanced Materials, 2017,29,1703852)。主要原因是PbI2二次相的存在可能提供了鈣鈦礦分解以及離子移動通道，使得鈣鈦礦材料以及電池器件長期穩定性較差，且易產生較大的電滯。因此，如何設計穩定的二次相，既能實現鈍化鈣鈦礦缺陷，又能獲得穩定的鈣鈦礦吸光材料，從而實現既高效又穩定的鈣鈦礦太陽能電池是當前該領域的一個重要課題。

最近，半導體所游經碧研究員領導的團隊發現通過在鈣鈦礦材料中引入少量氯化銣(RbCl)，可將常見的引起鈣鈦礦不穩定的二次相PbI2轉化成為全新的熱穩定性和化學穩定性好的(PbI2)2RbCl（簡稱PIRC）（圖1A,1B）。實現了85℃條件下鈣鈦礦材料熱穩定性大幅度提升，同時鈣鈦礦材料的離子遷移勢壘提高了3倍，離子遷移得到了有效抑制（圖1C，1D）。除此之外，他們還發現通過抑制PbI2消除了鈣鈦礦/PbI2界面的強限域導致的能帶變大問題，減小了鈣鈦礦材料的帶隙，擴展了對太陽光吸收范圍。基于獲得的高穩定性、光吸收擴展的鈣鈦礦材料，半導體所團隊研制出認證效率為25.6%的鈣鈦礦太陽能電池（圖2A），為目前公開發表的單結鈣鈦礦太陽能電池世界最高效率。電池器件1000小時放置和85攝氏度加速老化分別保持初始效率的96%和80%（圖2B，2C）。該工作同時實現了鈣鈦礦太陽能電池的高光電轉換效率和高穩定性，為鈣鈦礦電池的進一步發展以及產業化奠定了堅實的基礎。

此項成果以發表于《Science》雜志(Inactive (PbI2)2RbCl stabilizes perovskite films for efficient solar cells,Science,2022,377,531-534. doi/10.1126/science.abp8873)，半導體所博士后趙洋是該論文的第一作者，博士生馬飛、瞿子涵分別為論文的第二、第三作者，游經碧研究員為該論文的通訊作者。該工作得到了半導體所張興旺研究員的悉心指導與大力支持，還得到了半導體所鄧惠雄研究員（晶體結構理論模擬）和中南大學袁永波教授（離子遷移表征）的研究支持。同時，感謝上海同步輻射楊迎國研究員以及武漢大學柯維俊教授等對研究工作給予的幫助和寶貴的建議。

該項工作得到了國家重點研發計劃、國家杰出青年科學基金、中國科學院創新交叉團隊、國家優秀青年科學基金以及中南大學創新團隊等項目的資助。同時也感謝北京市科委對本課題前期研究的大力支持。

圖1 (A)具有PIRC二次相鈣鈦礦的掃描電子顯微鏡照片，(B)有無PIRC的鈣鈦礦薄膜X射線衍射圖譜（插圖為局部放大圖），(C)與(D)分別為有無PIRC的鈣鈦礦電導與溫度關系圖。