北京大学赵清和清华大学易陈谊Joule：晶面异质结实现钙钛矿太阳能电池结构新突破
北京大学赵清和清华大学易陈谊Joule：晶面异质结实现钙钛矿太阳能电池结构新突破
近日，北京大学物理学院的赵清教授和清华大学易陈谊教授联合进行的研究表明，通过在钙钛矿内部构建晶面异质结结构，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性同时得到了提升。2024年12月3日，该研究以“Perovskite Facet Heterojunction Solar Cell”为题，发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上。
北京大学博士、华能清能院高峰和清华大学博士研究生李航为本工作共同第一作者，赵清教授和易陈谊副教授为本工作通讯作者，合作者包括比利时鲁汶大学Elke Debroye、厦门大学杨烨等。本研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、清华大学电机工程系独立创新研究项目以及中国华能集团关键研发项目的支持。
联合团队通过创新的无损混合沉积方法在钙钛矿吸光层中构建了由两种不同晶面（001）/（111）组成的晶面异质结，在钙钛矿光伏器件中首次设计实现了双层晶面异质结结构。这一独特器件结构实现了对钙钛矿薄膜埋底界面的调控，有效整合了(111)晶面的和(001)晶面的优势。该结构在钙钛矿的埋底界面处形成了Ⅱ型能级排列结构，有效促进钙钛矿内的光生载流子分离和提取，减少了电荷载流子的复合损失。晶面异质结将基于蒸发方法得到的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升至24.92%，器件运行稳定性得到了显著提高，在最大功率输出下运行2000小时后仍保持了91.7%的初始性能。这项工作将持续引发晶面工程调控管理在提高钙钛矿太阳电池光伏性能重要性的关注，也为高效光伏电池的器件结构优化提供了新的视角。
研究背景
钙钛矿太阳能电池因其高效率和低成本而成为解决能源危机的有力候选，有望取代传统的硅基和薄膜太阳能电池。然而，实现高效率与长期稳定性的兼顾是钙钛矿太阳能电池商业化目前主要的瓶颈。多晶钙钛矿薄膜表面具有不同的晶面取向，具有不同的光电特性，包括能级排列和载流子迁移率等。异质结结构是传统光伏器件的主要结构，各个晶面的光电特性异质性为创建可增强的器件性能提供了机会。赵清教授团队创新性地将晶面异质结的概念引入到钙钛矿太阳能电池中。不同晶面取向的钙钛矿薄膜表现出不同的物理化学特性。例如，(001)晶面展现出优越的光电性能，而(111)晶面提供了更优的稳定性。若能结合不同晶面取向的优势，将有机会从晶面择优取向生长的角度调控，兼顾钙钛矿器件的光电性能和稳定性。然而钙钛矿是溶液制备的离子型晶体，对其晶体晶面取向的择优调控和多层结构设计颇具挑战性。
研究要点
1.（111）和（001）晶面取向的性能对比
本工作首先在无需任何添加剂的前提下通过两步溶液法制备了(001)和(111)晶面主导的钙钛矿薄膜，并制作同样结构的电池器件对比其性能。研究发现，这两种晶面主导的电池在光伏性能上没有显著差异，平均开路电压、短路电流和填充因子值相近，光电转换效率比较接近。因此，高光伏性能可以归因于特定择优生长取向的薄膜质量，（111）和（001）晶面取向差距不大。
而在稳定性测试方面，(111)晶面的薄膜在热稳定性、光稳定性和湿度稳定性方面均优于(001)晶面的薄膜。在80℃加热48小时后，(001)晶面薄膜分解成黄色PbI2，而(111)晶面薄膜显示出良好的耐热性。光浸泡测试和高湿度暴露测试也表明，(111)晶面薄膜的稳定性更高，(001)晶面薄膜会分解产生PbI2。
2.构建晶面异质结结构
通过结合溶液法和蒸发法，本研究成功通过堆叠薄层 (001)晶面和厚层(111)晶面的两层钙钛矿薄膜，实现构建了晶面异质结。利用GIXRD和GIWAXS表征了晶面异质结的晶体结构，证实了两层薄膜分别具备(001)和(111)晶面取向，DFT计算也表明了晶面异质结的界面形成了新的Pb-I键，具有很好的稳定性。飞秒瞬态反射（fs-TR）和纳秒瞬态吸收（ns-TA）、时间分辨PL衰减（TRPL）曲线、紫外光电子能谱（UPS）等一系列表征结果表明，晶面异质结在钙钛矿的埋底界面处形成了Ⅱ型能级排列结构，有效促进钙钛矿体内载流子寿命延长，非辐射复合损失被抑制。
3.晶面异质结结构同时提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性
基于晶面异质结结构制成的正型太阳能电池器件的光伏性能得到显著提升，填充因子达到84.23%，光电转换效率达到24.92%。此外，FHJ器件在湿度、热老化和最大功率点跟踪等条件下，保持了更高的初始效率，显示出更长的运行寿命。MPP追踪的光照运行稳定性在运行2000小时保持超过90%的初始效率，在85℃热老化条件下1600小时后保持了80%的最高效率，在低湿度条件下2700小时保持初始效率的95%以上。本研究提供了一种利用不同晶面取向制备高性能钙钛矿太阳能电池的新思路。