近日，我所太阳能研究部薄膜太阳能电池研究组（DNL1606组）杨栋研究员和刘生忠研究员团队发表了关于钙钛矿太阳能电池异质结晶格失配的综述文章，系统地讨论了晶格失配对材料稳定性和载流子传输动力学的影响，总结了当前的优化策略，包括外延生长和缓冲层，并探索了未来的解决方案以减轻失配引起的问题。
       在半导体科学中，晶格失配是一种关键现象，由基底及其外延层之间的晶格常数差异引起。两种材料的晶格常数往往不同，导致异质结生长界面附近产生应力。这种应力反过来又导致晶格缺陷和位错。钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿半导体薄膜和金属氧化物电荷传输层之间的晶格不匹配性严重影响了钙钛矿薄膜的生长和器件的光电性能。

       该综述文章重点探究钙钛矿太阳能电池异质结的晶格失配问题，总结了晶格失配对钙钛矿太阳能电池的负面影响，并详细介绍了表征晶格失配的方法和目前针对异质结晶格失配问题的优化策略，包括基于衬底材料的外延生长技术，有望实现更好的晶格对准，最大限度地减少位错的不利影响；使用缓冲层减轻晶格应力，探索用于缓冲层的新材料，更有效的释放应力和控制离子迁移，提高钙钛矿太阳能电池的性能；另外可以替代衬底材料实现更低的晶格失配比。该综述详细阐述了钙钛矿太阳能电池异质结晶格失配的挑战和前景，为下一代高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供有效路径。
       该综述以“Lattice Mismatch at the Heterojunction of Perovskite Solar Cells”为题，于近日发表《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该工作的第一作者是我所DNL1606组联合培养硕士研究生王泳。上述工作得到国家自然科学基金等项目的资助。（文/图 王泳、段连杰）
       文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202405878

近日，我所薄膜太阳电池研究组（DNL1606）刘生忠研究员团队与陕西师范大学材料科学与工程学院刘渝城研究员、美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授合作，研发一种有效的晶体生长策略来制备尺寸高达几个英寸的高质量多元混合离子钙钛矿单晶，并利用这种大尺寸纯相的钙钛矿单晶设计制备了自驱动集成光探测器。

　　在FAPbI3钙钛矿中掺入铯离子、甲胺离子和溴离子，可以形成多阳离子及多卤素离子的钙钛矿（FAMACs），这种结构的钙钛矿目前被证明是高效的光伏光电器件的最佳组成，因为这种钙钛矿相对更稳定，离子迁移小，能够有效降低器件中的迟滞现象，具有更高器件稳定性。然而，不同的研究团队报道的基于FAMACs的高性能器件中，几种离子的组成和比例不尽相同，尤其是铯离子的相对含量。此外，对于这种多成分钙钛矿，在结晶过程中容易出现相分离而形成黄色的非钙钛矿相，该成分的存在将会形成缺陷俘获或散射中心，从而影响器件性能。
　　基于以上问题，该合作团队选用还原剂（甲酸）来抑制晶体生长过程中的相分离，进而制备了大尺寸的三阳离子混合卤化物钙钛矿单晶。这种基于还原剂策略稳定生长的钙钛矿单晶具有相对更长的载流子寿命，更高的电荷迁移率，更长的载流子扩散距离，以及优异的均匀性和长期稳定性，因此基于该高质量的钙钛矿单晶设计制备的自驱动光探测器具有响应率高，光电导增益大，探测率高，以及响应速度快等优点。此外，基于该单晶制备的12×12像素探测器阵列具有均匀的光响应，因此对一个2×2像素的阵列进行选择性辐照时在像素之间显示出良好的分辨力。这种设计为钙钛矿自驱动集成电路成像应用开辟了一条新途径。
　　相关成果近期发表在Science Advances上。该工作得到了西安交通大学刘明教授团队的支持和帮助，以及国家自然科学基金项目、中国国家重点研究与发展计划项目、陕西省科技创新引导项目等项目的资助。（文/图 刘渝城、段连杰）

薄膜硅太阳电池研究组（DNL1606）刘生忠研究员团队受邀在《先进材料》（Advanced Materials）上发表综述文章，该文章总结和探讨了金属离子在钙钛矿太阳能电池中的最新研究进展及潜在的机遇与挑战。

　　金属卤化钙钛矿太阳电池因其制备工艺简单、生产成本低廉、光电转换效率高等优势而受到广泛关注，近年来发展迅速，成为光伏领域的重要研究热点之一。目前，科研人员为不断提升钙钛矿电池的光电转换效率和稳定性而发展了一系列性能调控方法，包括金属离子掺杂、功能材料复合、界面化学修饰等策略。其中，金属离子掺杂策略凭借其成本低廉，工艺简单等优势受到更多青睐。

　　该综述依据元素周期表系统介绍了目前已被应用到钙钛矿电池中的金属离子种类以及特点，重点阐述金属离子在钙钛矿晶体中的位置和作用，以及其对钙钛矿薄膜质量和器件光电性能及稳定性的影响。同时，该综述系统总结了钙钛矿材料对金属离子的容忍度，并且阐述金属离子对钙钛矿材料形貌、电荷动力学、晶格应力和稳定等性质的影响规律。最后，该综述预测并强调了未来金属离子在钙钛矿太阳能电池中应用研究所面临的机遇和挑战。

　　该工作得到国家重点研究与发展计划、中央高校基础研究基金、国家自然科学基金项目、111项目、国家大学科研基金、长江学者创新团队项目的资助。

为了优化基于无机钙钛矿太阳能电池，中科院大连化物所刘生忠等人采用镧系元素卤化物来改变电子传输层/钙钛矿界面并形成梯度能带，其可以抑制钙钛矿界面和内部的电荷复合。最终，器件获得了高达10.88％的效率，这是基于CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池的最高效率。

WaqasSiddique Subhani, Kai Wang, Minyong Du, Xiuli Wang, Shengzhong (Frank) Liu.Interface-Modification-Induced Gradient Energy Band for Highly Efficient CsPbIBr2 Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials,2019.

DOI:10.1002/aenm.201803785

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201803785

刘生忠Nat. Commun.：稳定的CsPbI3钙钛矿太阳能电池

刘生忠等人通过利用氢碘酸（HI）和苯乙基碘化铵（PEAI）添加剂的协同地稳定的黑色CsPbI3钙钛矿薄膜。发现HI诱导形成氢碘化铅（HPbI3+x），PEAI为优化结晶提供成核点。通过空间位阻阻碍其相变，从而稳定了黑色CsPbI3相。效率为15.07％。光照300小时后， 效率稳定；储存2个月后，电池可保持92％的初始效率。

Wang K, etal. All-inorganic cesium lead iodide perovskite solar cells with stabilized efficiency beyond 15%[J]. Nature Communications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-06915-6

https://doi.org/10.1038/s41467-018-06915-6

刘生忠Angew.综述：柔性钙钛矿太阳能电池的最新进展

柔性钙钛矿太阳能电池因其在轻型可穿戴，便携，可飞行等优势，在超轻空间和近空间应用方面具有巨大的潜力，而且其效率已超过18％。刘生忠课题组重点介绍了柔性钙钛矿太阳能电池的最新进展：低温制备方法，以改善钙钛矿薄膜的性能，如全覆盖，均匀的形态和良好的结晶度。考虑了关键的品质因数，例如高透射率，高载流子迁移率，合适的带隙和通过低温方法容易制造。开发柔性透明电极材料以增强器件的机械稳定性，柔性钙钛矿器件的稳定性。最后，提出柔性钙钛矿太阳能电池的展望及其成本，预期柔性钙钛矿太阳能电池的商业化可行性。

Yang D, Yang R, Priya S, et al. Recent Advanced inFlexible Perovskite Solar Cell: Fabrication and Application[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2018.

DOI: 10.1002/anie.201809781

https://doi.org/10.1002/anie.201809781

Nature Commu: 21.52%，平面型钙钛矿太阳能电池新记录！

第一作者：Dong Yang

通讯作者：刘生忠、Shashank Priya、Dong Yang

通讯单位：陕西师范大学、弗吉尼亚理工大学、大连化学物理研究所

研究亮点：

1. EDTA-SnO2的电子迁移率高、其费米能级与钙钛矿的导带匹配，Voc高。

2. 21.52%效率为平面型钙钛矿太阳能电池最新记录。

尽管介孔型钙钛矿太阳能电池展现出高效率，但平面型电池表现较小的回滞现象。值得一提的是，介孔型电池的电子传输层均需要高温退火得到，而平板型在较低温度就能完成整个电池的组装。

有鉴于此，刘生忠课题组与弗吉尼亚理工大学Shashank Priya团队、大连化物所Dong Yang团队等人合作，开发出一种EDTA络合氧化锡的新型电子传输层（即EDTA-SnO2）。

所开发的EDTA-SnO2的平面型钙钛矿太阳能电池的效率高达21.60％（认证效率21.52％），并有效地抑制回滞现象和提升电池稳定性。

研究人员首先合成和表征EDTA络合氧化锡电子传输层。结果发现EDTA-SnO2具有电子迁移率高、透光性好和能级匹配等优势，这些均有利于高效电池的组装。

将EDTA、SnO2和EDTA-SnO2进行光电性能的测试，可以从I-V曲线谱看出EDTA-SnO2效率提升明显，稳定输出效率也保持在21.67%。电池的重复性高。

研究人员通过研究平板型钙钛矿太阳能电池的电荷传输情况，直观地的看出EDTA-SnO2表现出电荷复合速率低、载流子寿命长和陷阱复合小。

同时，研究人员也调查电池的稳定性。采用未封装的SnO2和EDTA-SnO2的电池进行曝光测试。在120 h后，SnO2电池效率的只剩下初始值的38％，而EDTA-SnO2电池仍保持初始PCE的86％，表明EDTA-SnO2明显增强电池的稳定性。

鉴于低温制备的优势，研究人员将E-SnO2 应用于柔性钙钛矿太阳能电池。柔性电池的效率高达18.28％。

总之，该研究低温制备的EDTA-SnO2 可以提高电池效率，稳定性得到大幅度增强，并且在柔性器件方面表现出优异的性能。

参考文献：

Yang D, Yang R, et al. High efficiency planar-type perovskite solar cells with negligible hysteresis using EDTA-complexed SnO2[J]. Nature Communications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-05760-x

https://doi.org/10.1038/s41467-018-05760-x