有機(jī)——無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有光電轉(zhuǎn)化效率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視。現(xiàn)階段高效率鈣鈦礦電池多數(shù)是通過(guò)溶液旋涂法制備，這種方法不利于制備大面積鈣鈦礦器件，存在有機(jī)溶劑污染環(huán)境的問(wèn)題，且難以和工業(yè)化生產(chǎn)兼容。相比之下，真空蒸鍍工藝有效避免了有機(jī)溶劑的使用，且可以實(shí)現(xiàn)大面積均勻沉積薄膜，被學(xué)界認(rèn)為是一種可以規(guī)模化生產(chǎn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工藝。然而，迄今為止，通過(guò)真空蒸鍍工藝制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率仍顯著落后于溶液旋涂法。

近日，清華大學(xué)電機(jī)系易陳誼課題組報(bào)道了一種基于真空蒸鍍制備高效率大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新工藝。該工藝制備的電池打破了真空蒸鍍法鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的世界紀(jì)錄，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》(Science Advances)上(Sci. Adv.8, eabo7422 (2022) )。

該課題組提出了一種氯元素合金化的真空蒸鍍工藝，用于制備高效率大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。通過(guò)該方法制備的太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的光電性能，在AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光照下取得了最高24.42%的光電轉(zhuǎn)換效率，刷新了真空蒸鍍法制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率紀(jì)錄，在1cm2和14.4 cm2的大面積器件上分別實(shí)現(xiàn)了23.44%和19.87%的光電轉(zhuǎn)化效率。此外，真空蒸鍍法制備的太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性，在干燥空氣中存儲(chǔ)超過(guò)4000小時(shí)后無(wú)衰減，在濕度為35%的環(huán)境空氣中儲(chǔ)存1300小時(shí)后仍然保持97%的初始效率。該研究結(jié)果展示了真空蒸鍍工藝在制備大面積高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)越性和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可行性。

研究人員依托北京同步輻射裝置1W1A-漫散射實(shí)驗(yàn)站使用掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)、掠入射X射線衍射(GIXRD)對(duì)鈣鈦礦電池的結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行了原位表征。GIWAXS測(cè)試結(jié)果表明：在前驅(qū)體薄膜中引入氯元素可以形成多元合金(Cs0.05PbI2.05-xClx)，使前驅(qū)體薄膜具有垂直于基底生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向和更強(qiáng)的結(jié)晶性。原位GIWAXS和原位GIXRD測(cè)試表明，氯元素的摻雜可以顯著加速FAI分子在碘化鉛(PbI2)晶格中的擴(kuò)散速度、促進(jìn)δ相甲脒鉛碘(δ-FAPbI3)轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;相(α-FAPbI3)，以及顯著提升FAPbI3的結(jié)晶性。

圖1 真空蒸鍍鈣鈦礦電池器件性能和穩(wěn)定性表征

圖2 原位GIWAXS測(cè)試表征鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過(guò)程