上海硅酸盐所&中科院半导体所：钙钛矿太阳能电池新突破！

上海硅酸盐所&中科院半导体所：钙钛矿太阳能电池新突破！

引用

中国科学院

等

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来源

1.

https://www.sic.cas.cn/xwzx/tpxw/202407/t20240722_7234026.html

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https://news.nankai.edu.cn/ywsd/system/2024/03/18/030060497.shtml

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http://www.cailiaoniu.com/259338.html

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https://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.73.20231977

近日，上海硅酸盐研究所杨松旺研究员团队在钙钛矿薄膜及其界面调控方面取得重要进展，通过引入新型添加剂CPMIMBF4显著提升了器件性能。同时，中国科学院半导体研究所游经碧团队在反型结构钙钛矿太阳能电池的研究上也取得了重大突破，研制出认证效率高达25.2%的高效稳定电池。这些新进展为钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了有力支持，有望推动可再生能源领域的发展。

上海硅酸盐研究所杨松旺研究员团队在钙钛矿薄膜及其与电子传输层的界面调控、柔性衬底上电子传输层的制备方面取得新进展。

在钙钛矿薄膜制备方面，研究团队引入了一种离子液体添加剂1-氰基丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（CPMIMBF4）到PbI2前驱体溶液中，用于提高器件性能。CPMIMBF4添加剂作为PbI2和二甲基亚砜（DMSO）之间的桥梁，有效抑制了PbI2的快速成核，形成了多孔的PbI2薄膜，使得PbI2和有机铵盐之间发生充分反应。通过使用CPMIMBF4添加剂，提高了钙钛矿薄膜的质量，并降低了器件的陷阱密度，在TiO2基底上实现了24.25%的光电转换效率。

在界面优化方面，研究团队在二氧化钛（TiO2）电子传输层和钙钛矿层之间引入碳酸胍（GuaCO3）作为修饰层，有效钝化了埋底界面缺陷，提升了载流子的传输效率。GuaCO3中存在的亲水性胺基能够改善TiO2电子传输层的表面浸润性，使得钙钛矿层与TiO2电子传输层结合更加紧密，并减少了载流子在埋底界面处的非辐射复合。吸附在TiO2表面的碳酸根（CO32-）能够钝化TiO2表面的氧缺陷，提升电子传输层对电荷的提取效率。与此同时，研究发现在两步法制备钙钛矿薄膜的过程中，GuaCO3与PbI2之间能够形成较强的氢键，错落分布在粗糙的TiO2电子传输层表面的GuaCO3为PbI2提供了异质成核位点，使得第一步制备的PbI2薄膜由致密结构变为疏松多孔的层状结构，促进了第二步中有机胺盐与PbI2的充分反应，从而提升了两步法制备钙钛矿薄膜的质量。综合以上因素，器件的填充因子从76.52%提升至79.91%，光电转换效率从21.73%提升至23.39%，器件的稳定性也得到了提升。

在柔性钙钛矿太阳能电池研究方面，研究团队提出了一种适配于柔性PEN/ITO导电基底的化学浴沉积二氧化锡薄膜方法。该方法以SnCl2·2H2O为锡源，氨水作为添加剂调控化学浴前驱体溶液的酸碱度，中和SnCl2·2H2O初期水解产生的氢离子，这样不仅有效避免了强酸环境对柔性导电衬底的腐蚀，同时可以在柔性导电衬底上生长出表面平缓（RMS = 2.0 nm）、高透过率（90.03%）的高质量二氧化锡薄膜。采用该二氧化锡薄膜作为电子传输层制备的柔性钙钛矿太阳能电池，其效率达到了20.71%。其中，更好的界面接触有效提升了开路电压（VOC），更高的基底透过率和高质量的钙钛矿薄膜显著提升了短路电流密度（JSC）。

中科院半导体研究所游经碧团队在反型结构钙钛矿太阳能电池的研究上取得了重大突破，研制出认证效率高达25.2%的高效稳定电池。

研究团队通过精准调控有机钝化分子的构型，同时实现了钙钛矿表界面缺陷的有效钝化和电子的高效传输。具有双钝化位点的分子4-氯苯磺酸钠（4Cl-BZS）因其平坦的分子结构、合适的分子长度以及良好的缺陷钝化能力被选为目标分子。在钙钛矿前驱体溶液中引入4Cl-BZS，由于其分子结构过大，不能进入钙钛矿晶格，在钙钛矿薄膜制备过程中钝化分子会迁移到上表面，通过-Cl和-SO3-与相邻的Pb2+成键，4Cl-BZS最终将以与钙钛矿表面平行的方式分布在钙钛矿上表面，缩短了钙钛矿与电子传输层（C60）之间的距离。此外，4Cl-BZS分子处理通过界面偶极的形成推动能带结构的下移，实现和C60之间更好的能级匹配，这有助于提高电子的传输效率。基于此协同作用，团队分别制备了准稳态认证效率为26.15和24.74%的小面积（0.05 cm2）和大面积（1.04 cm2）单结PIN钙钛矿光伏器件，刷新了单结钙钛矿光伏器件认证效率的世界记录值，认证结果被Best Research-Cell Efficiency Chart (NREL) 和Solar cell efficiency tables (Version 63) 收录。 在1个太阳光光照以及65摄氏度温度下，冠军器件连续工作1200小时后仍保持着初始效率的95%。

上海硅酸盐研究所和中科院半导体研究所的最新研究成果，分别从不同角度解决了钙钛矿太阳能电池的关键技术难题。杨松旺团队通过添加剂改性和界面优化，显著提升了器件性能和稳定性；游经碧团队则在反型结构钙钛矿电池方面取得突破，刷新了世界纪录。

这些研究成果不仅展示了钙钛矿太阳能电池的巨大潜力，也为其实现商业化应用提供了有力支持。随着技术的不断进步，钙钛矿太阳能电池有望在不久的将来成为主流光伏技术，为全球可再生能源发展做出重要贡献。