中科院上海硅酸盐所在钙钛矿太阳能电池研究中取得三项重要进展
中科院上海硅酸盐所在钙钛矿太阳能电池研究中取得三项重要进展
钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的光伏技术，近年来在光电转换效率方面取得了显著进展，已与传统晶硅太阳能电池相媲美。中国科学院上海硅酸盐研究所杨松旺研究员带领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等方面取得重要突破。
进展一：新型离子液体添加剂提升钙钛矿薄膜质量
钙钛矿太阳能电池的制备方法主要有一步反溶剂法和两步顺序沉积法。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。通过飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析发现，CPMIMBF4添加剂能够有效抑制PbI2的快速成核，形成多孔的PbI2薄膜，从而提高钙钛矿薄膜的质量并降低器件的陷阱密度。在TiO2基底上实现了24.25%的光电转换效率。
图1：CPMIMBF4添加剂在PbI2和钙钛矿薄膜中的迁移行为分析
图2：CPMIMBF4提升钙钛矿电池性能的作用机理以及电池的J-V曲线图
进展二：碳酸胍修饰层优化埋底界面
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，同时吸附在TiO2表面的碳酸根（CO32-）能够钝化TiO2表面的氧缺陷。通过这种方法，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%。
图3：GuaCO3修饰前后钙钛矿薄膜的SEM、AFM图像及XRD图谱
图4：GuaCO3提升钙钛矿电池性能的作用机理以及电池的J-V曲线图
进展三：柔性衬底上电子传输层制备新方法
针对柔性钙钛矿太阳能电池中化学浴沉积制备电子传输层的难题，研究团队提出了一种适配于柔性PEN/ITO导电基底的新方法。该方法以SnCl2·2H2O为锡源，氨水作为添加剂，成功在柔性导电衬底上生长出高质量的二氧化锡薄膜。采用该方法制备的柔性钙钛矿太阳能电池效率达到了20.71%。
图5：不同方法制备的SnO2薄膜的SEM、AFM图像及透过率图
图6：基于传统和改进化学浴沉积法制备SnO2薄膜的柔性钙钛矿电池J-V曲线图
这些研究工作得到了浙江省重点研发计划项目和中国载人航天计划空间应用系统项目的资助和支持。