刘生忠：效率为18.4%的柔性钙钛矿太阳能电池

aiyu

研究亮点:

利用二甲硫醚添加剂提高钙钛矿吸光层的质量，制备了效率为18.4%的柔性钙钛矿太阳能电池，创造了柔性钙钛矿电池的最高效率。

刚性钙钛矿太阳能电池效率不断提升和更新，而柔性钙钛矿太阳能电池效率发展缓慢。究其原因，主要局限于钙钛矿吸收层的质量问题。

有鉴于此，陕西师范大学刘生忠教授和杨栋研究员团队利用二甲硫醚添加剂将柔性钙钛矿太阳能电池效率提升到18.4%，大面积（1.2cm2）效率为13.35%，均为目前的最高效率。

图1 柔性钙钛矿太阳能电池世界纪录

针对钙钛矿成膜过程中结晶速度快导致晶粒尺寸较小和结晶性较差的问题，研究人员将二甲硫醚作为添加剂制备钙钛矿薄膜。研究发现，在钙钛矿前驱体溶液中，二甲硫醚中硫原子的孤对电子可以与铅的空轨道结合，形成络合物。利用钙钛矿前驱体溶液旋涂制备薄膜，在钙钛矿形成过程中，二甲硫醚缓慢从络合物中解离，钙钛矿的结晶速度被有效降低，从而实现了钙钛矿多晶薄膜晶粒尺寸的增加和结晶质量的提高。

将利用添加剂制备的高质量钙钛矿薄膜应用到柔性器件中，电池效率得到明显提升。光照稳定性测试得到稳态输出效率为18.34%与I-V测试效率基本一致。另外，柔性钙钛矿太阳能电池表现出良好的机械性能，在极小的曲率半径（4mm）下弯曲5000次后，电池的效率仅降低了18%（源于柔性导电衬底电阻的增加）。

利用添加剂制备的柔性钙钛矿太阳能电池的稳定性得到很大程度的提高。将没有封装的柔性电池放置在湿度为35%的环境中60天后，器件效率仍可保持原有效率的86%，而无添加剂的器件效率仅为原有效率的50%。

基于添加剂制备的高质量钙钛矿吸光层，研究人员同时制备了不同面积的柔性钙钛矿太阳能电池，当面积增加到1.2cm2时，效率可达13.35%，是目前大面积柔性钙钛矿太阳能电池的最高效率。

利用添加剂制备的钙钛矿薄膜缺陷态密度较低，复合电阻增大，稳态荧光淬灭增强，载流子寿命明显降低，表明其可实现载流子的有效分离、传输以及收集，有利于钙钛矿太阳能电池性能的提升。

总之，本研究通过添加剂提升了钙钛矿吸收层的质量，解决了柔性钙钛矿太阳能电池效率低的问题。

参考文献：

Feng J, Zhu X, Yang Z, et al. Record Efficiency Stable Flexible Perovskite Solar Cell Using Effective Additive Assistant Strategy[J]. Advanced Materials, 2018.

DOI: 10.1002/adma.201801418.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201801418

作者简介:

刘生忠教授领导的团队是国内外较早从事钙钛矿光电器件研究的团队之一。团队研发了钙钛矿单晶生长新方法，成功制备了超大尺寸钙钛矿单晶，各方面指标均领先领域先进水平【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv. Mater. 2016, 28, 9204-9209;Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837; Nat. Commun. 2017, 8, 16086; Adv. Sci.2018, 5, 1700471; Adv. Mater. 2018, 1707314; Mater. Today, 2018, in press】。

在钙钛矿太阳能电池方面，2017年制备出世界最高效率13.7%的二维钙钛矿电池（Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2095）; 2018年采取晶界钝化法制备稳定高效钙钛矿太阳电池（Adv. Mater. 2018, 1706576）; 2018年通过实时追踪技术研究三维钙钛矿中间态的形成(ACS Energy Lett. 2018, 3, 1078-1085)；无机钙钛矿太阳能电池方向也取得了突破性进展 【ACS Energy Lett. 2017, 2, 1479-1486; Adv. Energy Mater. 2018,1703246; Adv. Energy Mater. 2018, 1800007; ACS Energy Lett.2018, 3, 970-978】。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

杨栋研究员在平面型和柔性钙钛矿电池方面均取得了重大突破，先后几次报道了领域内的最高效率。首次将离子液体作为界面层以及界面修饰层应用到钙钛矿太阳能电池中，创造了柔性以及平面型钙钛矿太阳能电池效率的世界记录【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8,3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8,1701757.】。同时，采用独特的界面修饰方法和双源共蒸法，制备的平面钙钛矿电池效率超过了21%；近来，发展了优质的TiO2和Nb2O5电子传输层的低温沉积工艺，再次突破了柔性钙钛矿太阳能电池的最高效率。