周欢萍团队及合作者在钙钛矿太阳能电池研究方面取得重要进展

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近年来，基于有机-无机杂化钙钛矿的光电器件（如太阳能电池、发光二极管、光电探测器等）取得了飞速的发展，其原料成本低廉，加工工艺简单，光电性质优异。其中，钙钛矿薄膜的结晶质量对于器件性能的影响至关重要。然而薄膜生长过程易受环境因素影响（如湿度、有机氛围浓度等不可控因素），同时材料本身在退火条件下反应活性高（如热分解反应、氧化还原反应等），因此传统工艺很难制备成分和相态均一的大面积薄膜，且工艺可重复性差，这限制了其产业化制备的进程。
       针对该问题，北京大学材料科学与工程学院周欢萍研究员团队与北京理工大学材料学院陈棋教授团队等单位合作，开发了“液相介质退火”工艺，可以在全天候条件下，可重复地制备高效稳定的大面积钙钛矿太阳能电池。研究成果以“液相介质退火制备稳定钙钛矿太阳能电池并提高可重复性（Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility）”为题，于2021年7月30日在线发表于《科学》（Science）期刊上。

图1 钙钛矿薄膜在液相介质中退火的流程及机理示意图

       有别于通常工艺在空气或氮气中退火，液相介质退火（如图1所示）及器件制备有以下几个优势：
       1）液相介质提供了均一的温场，由此实现钙钛矿薄膜的全方位均匀加热。当湿膜接触到液相介质后便迅速开始全方向的传热，特别是“自上而下”传热使得薄膜在短时间内达到退火温度。因此，液相介质退火制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸大，结晶度高，该方法为高质量薄膜的制备提供了新思路。
        2）液相介质阻隔了钙钛矿与外界环境的接触，有效抑制了水、氧等分子与钙钛矿的反应，也避免有机氛围对钙钛矿结晶过程的影响。此外，液相介质构筑的“屏障”，能够抑制气相组分的挥发，从而抑制钙钛矿在高温下的热分解，保持组分的化学计量比。该方法为可重复的制备组分相态空间分布均一的钙钛矿薄膜提供了解决方案。
        3）液相介质退火工艺显著降低了钙钛矿器件制备对环境的依赖性。在一年四季不同的环境条件下（湿度与温度），液相介质退火工艺制备的电池效率分布窄，平均效率达23%。而传统退火工艺制备的电池效率对环境敏感（冬天为22%以上，夏天仅19%）。该方法为全天候可重复的产业化生产奠定了基础。
        液相介质退火使得钙钛矿薄膜具有更均一的光电性质，大面积与小面积的电池效率差异显著降低。目前，小面积器件（0.08 cm2）实现了24.04%的稳态输出效率，认证值为23.7%。而大面积器件（1 cm2）实现了23.15%的稳态输出效率，认证效率为22.3%，超过目前该面积下所有公开报道的第三方认证效率。该方法有望进一步推广至大面积电池模组的制备。该工艺为高质量、组分空间均一的钙钛矿薄膜的全天候可重复制备开辟了新的途径，可以广泛应用于不同组分（如三维铅基、锡铅混合、二维等）钙钛矿光电器件（如太阳能电池、发光二极管等）的制备。

图2 液相介质退火制备的小面积（A）与大面积（B）钙钛矿太阳能电池J-V曲线以及稳态效率；传统退火（Ref）与液相介质退火（LMA）得到的大小面积电池效率差异对比（C）；一年四季不同退火条件下得到的器件性能统计（D）。

        北京大学周欢萍、北京理工大学陈棋为本文共同通讯作者，北京大学李能旭、北京理工大学牛秀秀为本文共同第一作者。合作者还包括北京理工大学洪家旺课题组、中南大学谢海鹏课题组、南京工业大学王建浦课题组，以及美国理海大学许晓汲课题组等。该工作得到研究得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金委、腾讯科技科学探索奖等的联合资助。


       文章来源：北京大学
       周欢萍特聘研究员，北京大学博士生导师,主要集中于稀土材料，半导体材料的多维度控制，包括纳米尺度(可控合成及生长机理、自组装)，微米尺度(薄膜生长，缺陷钝化，界面调控)以及宏观尺度(器件构筑)，及其在催化和能源领域的应用基础研究。在Science、 Nature. Commun.、 J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Appl. Phys. Lett.等材料、化学、物理及综合类的国际国内有影响的学术期刊上，累计发表学术论文40余篇，包括Science 2 篇；Nature. Commun. 1 篇，J. Am. Chem. Soc. 4篇; Nano Lett. 2 篇；Adv. Mater. 3 篇，Adv. Energy Mater. 3 篇，ACS Nano 3篇, Energy Environ. Sci. 2篇等。截止2015年6月被引用2500余次， 涵盖材料、化学、物理、纳米技术、能源、工程等多个学科。在钙钛矿太阳能电池领域所开发的薄膜生长及器件构筑的突破，被多家媒体报道(如science news)，多篇综述评论为该领域的关键发现，亦因此多次在国际重要学术会议上作邀请报告。
       陈棋，北京理工大学教授。2005年本科毕业于清华大学化工系，2007年硕士毕业于清华大学化学系，2012年博士毕业于加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学与工程系，随后以博士后身份在UCLA加州纳米研究中心从事薄膜太阳能电池研究工作。于2016年3月加入北京理工大学。课题组主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究，材料广泛应用于能源、光电等领域，具体包括太阳能电池、储能电池、传感器、探测器等各类新型光电功能化器件，尤其是新型纳米复合结构构筑、纳米结构加工、光电转化及催化等相关工艺开发和交叉前沿项目。迄今发表论文50余篇，引用超过7000次。包括Science、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、Advanced Materis等。单篇最高他引超过2000次。