近日,，武漢理工大學(xué)和佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室共同的研究項(xiàng)目鈣鈦礦太陽能電池取得重要研究進(jìn)展，成果以“The critical role of composition-dependentintragrain planar defects in the performance of MA1-xFAxPbI3perovskite solar cells”為題,，發(fā)表在國際頂級(jí)能源類期刊《Nature Energy》上,。實(shí)驗(yàn)室雙聘研究員李蔚為論文第一作者，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-021-00830-9
有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦是一類晶體結(jié)構(gòu)與CaTiO3相同的光電材料,，其化學(xué)通式為ABX3,，其中A位陽離子為CH3NH 2+(MA+)、CH(NH2)2+(FA+)、Cs+等,；B位為Sn2+和Pb2+,；C位是鹵素陰離子I-、Br-和Cl-,。有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池一經(jīng)面世就取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,，與傳統(tǒng)硅太陽能電池相比，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池有著原料豐富,、制備過程簡(jiǎn)易,、生產(chǎn)成本低廉、生產(chǎn)能耗低等優(yōu)點(diǎn),。其認(rèn)證效率記錄不斷刷新,，最高認(rèn)證效率已經(jīng)達(dá)到25.5 %，逼近單晶硅太陽能電池26.7 %的光電轉(zhuǎn)化效率,，已經(jīng)引發(fā)了全球光伏行業(yè)的廣泛關(guān)注,。如實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，將有利于進(jìn)一步降低太陽能電池的發(fā)電成本,，促進(jìn)我國早日實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。
由于有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率,、較長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和較低的復(fù)合速率,，這也導(dǎo)致了人們長(zhǎng)期以來認(rèn)為有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦中的晶體缺陷，在電學(xué)上不會(huì)對(duì)光生載流子的收集和復(fù)合產(chǎn)生不利的影響,，因而對(duì)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化性能影響較小,。由于鈣鈦礦晶體中的有機(jī)成分在高能電子束下非常不穩(wěn)定，導(dǎo)致從實(shí)驗(yàn)上很難通過先進(jìn)的電子顯微技術(shù)確定晶體缺陷對(duì)器件性能的作用機(jī)制,。
團(tuán)隊(duì)經(jīng)過六年多的深入研究,，通過超低劑量透射電子顯微技術(shù)，在國際上首次揭示了鈣鈦礦中的面缺陷（層錯(cuò),、孿晶等）對(duì)有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的性能產(chǎn)生重要影響,。通過改變MA1-xFAxPbI3(x=0-1)中甲銨（MA）/甲脒（FA）的組成，研究發(fā)現(xiàn)電荷載流子壽命,、開路電壓和電流-電壓曲線的遲滯效應(yīng)與鈣鈦礦立方相中{111}面缺陷（x=0.5-1）和四方相中{112}孿晶缺陷（x=0-0.1）的密度和結(jié)構(gòu)密切相關(guān),。當(dāng)鈣鈦礦材料內(nèi)沒有明顯的面缺陷時(shí)（x=0.2），器件性能最佳,。同樣,，通過MASCN蒸氣處理，可以顯著的降低FAPbI3（x=1）中立方相{111}面缺陷的密度,，從而大幅提升太陽能電池的性能,。
該研究揭示和闡明，具有六方相結(jié)構(gòu)的{111}c層錯(cuò)（類似于單原子層的不具光伏活性的黃色相δ- FAPbI3）一方面容納大量的點(diǎn)缺陷,、促進(jìn)位錯(cuò)的生成,、從而形成離子移動(dòng)的通道,，導(dǎo)致電池的遲滯效應(yīng)加劇,；另一方面導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加,，最終影響電池的光電轉(zhuǎn)化效率。與之相對(duì)應(yīng)的是,，四方相中的{112}t面孿晶并不會(huì)導(dǎo)致大量點(diǎn)缺陷聚集,，從而并不會(huì)形成離子移動(dòng)通道，也對(duì)非輻射復(fù)合速率影響不大,。因此,，除了晶界和界面等已確定的材料參數(shù)外，鈣鈦礦中晶體內(nèi)部缺陷的調(diào)控對(duì)鈣鈦礦太陽能電池性能的提升也起著至關(guān)重要的作用,。
