邓先宇课题: 溶液法制备叠层钙钛矿薄膜助力获得高效稳定太阳能电池

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进入信息化时代，电力资源在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。伴随着电力的大范围应用，非可再生能源的储量日益减少，太阳能、风能等可再生能源越来越受到人们的重视。其中，太阳能的开发应用得到了广泛的研究。近年来，一种新型的太阳能电池——钙钛矿太阳能电池成为研究人员的宠儿。钙钛矿材料优异的光电特性使得基于该薄膜的太阳能电池器件具有宽的光谱响应范围、高光吸收数和光电转化量子效率。现阶段，研究人员通过在前驱体溶液中引入添加剂改善钙钛矿薄膜的致密度、平整度和钝化晶界缺陷等使得太阳能电池器件的性能获得大幅度提升。但由于材料本身特性（如带隙、载流子传输等）的限制，进一步提升由单一钙钛矿薄膜所制备的太阳能电池的性能空间非常有限。为了打破这一限制，使用多层薄膜复合的方式是一个理想的手段。基于此方法，可以将具有不同带隙或晶粒尺寸的钙钛矿薄膜叠加，形成具有一定特性差异的复合薄膜， 从而拓宽薄膜的光谱吸收范围、提高载流子迁移率和促进载流子传输平衡， 获得高效的太阳能电池器件。然而，对于相对简单的溶液法薄膜制备来说，现有的方法很难制备出叠层薄膜，主要因为难以找到一种合适的溶剂，可以对不同特性的钙钛矿材料在其中存在比较大的溶解度差异。这种溶解性差异，可以保证在制备后一层钙钛矿薄膜的时候，不会对已形成的钙钛矿薄膜产生比较严重的破坏。因此，寻找到合适的溶剂是解决这一问题的关键。

叠层钙钛矿薄膜

为了制备叠层钙钛矿薄膜，哈尔滨工业大学（深圳）材料学院邓先宇课题组使用苯胺做溶剂，溶液法制备出了具有晶粒尺寸和光电特性差异性的叠层钙钛矿薄膜，实现了钙钛矿太阳能电池性能的显著提升。在叠层薄膜制备过程中，该团队人员首先使用CH3NH3PbI3与二乙胺盐酸盐（DEACl）完全溶解的澄清苯胺溶液旋涂沉积具有纳米尺寸的钙钛矿薄膜；随后将单一CH3NH3PbI3难溶解的苯胺胶体悬浊液刮涂在纳米钙钛矿薄膜上，通过抽滤、退火处理得到叠层钙钛矿薄膜。薄膜的测试表明，叠层薄膜的光吸收和结晶取向性都得到了显著提升；更重要的是，叠层薄膜有效改善了电子-空穴的传输平衡，增加了薄膜内光生载流子的寿命。这些薄膜特性的改善，显著提升了钙钛矿太阳能电池的性能：反式平面异质结太阳能电池器件的效率由13%增加到18%，最后通过引入界面修饰层，器件的光电转化效率达到20.65%。
研究者相信，这是一种相对简单的制备叠层钙钛矿薄膜的办法，为进一步提升钙钛矿太阳能电池的性能提供一条可行的参考途径。相关论文于2019年9月在线发表在《Advanced Functional Materials》上 (DOI: 10.1002/adfm.201903330) ，题为 “Solution‐Processed Laminated Perovskite Layers for High‐Performance Solar Cells”, （Adv. Funct. Mater. 2019, 1903330）。

钙钛矿是指一类陶瓷氧化物，其分子通式为ABO3 ；此类氧化物最早被发现，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO3）化合物，因此而得名。由于此类化合物结构上有许多特性，在凝聚态物理方面应用及研究甚广，所以物理学家与化学家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)来简称之，因此又名“113结构”。呈立方体晶形。在立方体晶体常具平行晶棱的条纹，系高温变体转变为低温变体时产生聚片双晶的结果。
钙钛矿是以俄罗斯地质学Preosvik的名字命名的，其结构通常有简单钙钛矿结构、双钙钛矿结构和层状钙钛矿结构。简单钙钛矿化合物的化学通式是，其中X通常为半径较小的或，双钙钛矿结构( Double-Perovskite) 具有 组成通式，层状钙钛矿结构组成较复杂， 研究较多的是具有通式以及具有超导性质的和三方层状钙钛等。研究最多的是组成为的钙钛矿结构类型化合物。
组成为的钙钛矿结构类型化合物， 所属晶系主要有正交、立方、菱方、四方、单斜和三斜晶系.，A位离子通常是稀土或者碱土具有较大离子半径的金属元素，它与12个氧配位，形成最密立方堆积，主要起稳定钙钛矿结构的作用；B位一般为离子半径较小的元素（一般为过渡金属元素，如Mn、Co、Fe等），它与6个氧配位，占据立方密堆积中的八面体中心，由于其价态的多变性使其通常成为决定钙钛矿结构类型材料很多性质的主要组成部分。与简单氧化物相比，钙钛矿结构可以使一些元素以非正常价态存在，具有非化学计量比的氧，或使活性金属以混合价态存在，使固体呈现某些特殊性质。由于固体的性质与其催化活性密切相关，钙钛矿结构的特殊性使其在催化方面得到广泛应用。

邓先宇，哈尔滨工业大学（深圳）材料学院教授。主要从事以聚合物为主体的有机电致发光与光电转换器件的研究。自1999年初开始从事有机聚合物光电器件（发光器件、太阳能电池器件和光电探测器件）的研究。已经在聚合物发光全彩色显示的实现方式，聚合物异质结太阳能电池的给体/受体间能级与界面的调控，聚合物电致发光器件的阴极界面修饰调控，以及有机光电子器件透明阴极的表面界面修饰调控等方面取得了系列研究成果。研究内容主要以各类有机和无机光电材料为基础，以器件的表面界面修饰调控为核心，发展新型高性能光电子器件，以实现相关材料和器件在可再生能源、新型信息显示与光通讯和航空航天等多个重要领域的应用。