Nature之后又发Science，将钙钛矿太阳能电池进行到底！

LHSRYY 科学百晓生

第一作者：Qi Jiang

通讯作者：童金辉, 朱凯

通讯单位：美国国家可再生能源实验室

DOI: 10.1126/science.adf0194

研究背景

发展基于溴碘(Br-I)混合卤素钙钛矿(Br大于20%)的高稳定性和高效率宽禁带(WBG)钙钛矿太阳能电池(PSCs)是制备叠层太阳能电池的关键。然而，太阳能电池(如光、热)工作条件下的Br-I相分离问题限制了器件电压和工作稳定性。这一挑战往往由于富Br钙钛矿化学与反溶剂过程的快速结晶相关的现成缺陷形成而加剧。

本文亮点

1.本工作将快速的Br晶化与温和的气淬法相结合，制备了具有低缺陷密度的高织构柱状1.75电子伏特Br-I混合WBG钙钛矿薄膜。

2.通过这种方法，本工作获得了1.75电子伏特的WBG PSCs，其功率转换效率大于20%，开路电压(V_oc)约为1.33 V，并且具有优异的操作稳定性(在65°C,1.2太阳照射下, 1100小时的降解率小于5%)。

3.通过进一步与1.25 eV窄带隙PSC集成，本工作获得了27.1%的高效率全钙钛矿双端叠层器件，其开路电压高达2.2 V。

图文解析

图1. 气淬工艺制备的1.75-eV WBG PSCs的器件特性

要点：

1、本工作描述了基于气体淬灭的WBG PSCs的器件特性(图1)。反向和正向电压扫描下的电流密度-电压(J-V)曲线表现出可忽略的滞后现象(图1A)，反向和正向扫描PCEs分别为20.3%和20.0%，稳定功率输出(SPO)效率达到20.1%。相应的外量子效率(EQE)谱(图1B)给出了18.2 mA/cm²的积分电流密度，与J-V曲线一致。

2、除了PCE的提高，气体淬灭方法在25~65°C具有良好的操作稳定性。基于气体淬灭的WBG PSC表现出最小的器件效率变化，在~25°C的最大功率点(MPP)附近的硫等离子体灯持续0.8太阳光照射下，在N₂气氛中保持了~99%的最大PCE (图1C)。

3、本工作还研究了另一个1.2太阳光照下的气体淬灭器件，在65°C N₂的MPP附近用白色发光二极管照明(图1D)。该器件在1100小时的老化过程中保留了>95%的最大PCE。这些稳定性结果大大超过了其他报道的Br-I混合WBG PSCs，并且这个性能水平超过了本工作先前报道的最先进的1.53-eV p-i- n PSCs。

图2. WBG钙钛矿的结构特性

图3. TA测量

要点：

1、本工作接下来讨论了导致本工作高稳定和高效WBG PSCs的关键特性。首先，本工作比较了反溶剂法和气淬法制备的WBG钙钛矿薄膜的结构性质。表面和断面扫描电子显微镜(SEM)图像显示了这两种方法之间的一些差异。对于反溶剂法，晶粒形貌变得粗糙，表观钙钛矿晶粒尺寸较小((150~200 nm)) (图2A)，这对于富Br钙钛矿薄膜来说是常见的，因为与Br-相关的快速结晶速率。

2、总的来说，这种与Br-有关的挑战(相对于I-对应物)可归因于两个因素：(i) Br^-的溶解度较低，导致快速成核；(ii) Br^-的离子半径较小，导致更快的离子扩散和晶粒粗化。反溶剂过程中快速的溶剂萃取进一步加剧了这些问题。因此，与富I的钙钛矿薄膜相比，富Br的钙钛矿薄膜倾向于以无序和不均匀的形态生长。

3、对于本研究中的高Br含量钙钛矿成分，气淬法和反溶剂法也有望在垂直生长方向上产生不同的成分分布。然而，气淬样品在激发后基态漂白随时间的变化表现出明显的偏移。

图4. 缺陷辅助扩散势垒的光电特性及计算

要点：

1、本工作通过时间分辨微波电导率(TRMC)和暗J-V测试来研究生长方法对光电性能的影响。典型的TRMC瞬态分析表明，反溶剂样品的迁移率产物ϕ_Σμ值和自由载流子寿命分别为4.9 cm² V^-1s^-1和426 ns，而气淬样品的迁移率产物ϕ_Σμ值和自由载流子寿命分别为20.8 cm²V^-1s^-1和355 ns (图4A)。

2、本工作在很宽的激发强度范围内观察到了ϕ_Σμ的相对变化(图4B)。由载流子迁移率和寿命的乘积确定的载流子扩散长度，反溶剂样品为2.3 μm，气淬样品为4.4 μm。抗溶剂样品的抑制吉赫兹迁移率值与XRD数据中显示的更大的结构无序度以及SEM图像中观察到的形貌和表观晶粒不均匀性相一致。

3、对比暗态J-V曲线(图4C)可以发现，气体淬灭型PSCs的分流电阻增加了2个数量级以上，降低了漏电流，暗示了更低的缺陷密度。然而，当卤素空位在附近时，I和Br的能量分别降低到0.33和0.28 e V。此外，I和Br间隙原子易于扩散，能垒分别为0.27和0.30 e V。本工作的计算证实了降低缺陷密度(卤化物空位和间隙)有助于抑制卤化物相分离。

图5. 叠层器件性能

要点：

1、为了利用本工作优化的WBG钙钛矿的有效性，本工作将1.25-eV FA_0.6MA_0.4Sn_0.6Pb_0.4I₃窄带隙PSC与本工作优化的1.75-eV WBG PSC集成，制备了单片全钙钛矿叠层太阳能电池。叠层装置的J-V曲线(图5A)在反向和正向扫描之间的滞后可以忽略不计。反向扫描得到PCE为27.1%，J_sc为15.3 mA cm^-2，V_oc为2.20 V，FF为80.8 %；正向扫描显示PCE为27.2%，J_sc为15.1 mA cm^-2，V_oc为2.20 V，FF为81.6%。

2、相应的SPO效率达到27.1 % (图5B)。2.2 V的叠层V_oc是目前报道的最高的。本工作还考察了叠层装置的操作稳定性。未封装的叠层电池在~35°C、N₂条件下，连续~ 0.8太阳光照1825小时后仍能保持最大PCE的~81% (图5C)。封装后的叠层电池在~ 50°C空气中测试时，T84为763小时。

3、总之，这些器件的转换效率和长期稳定性支持了本工作的假设，即通过增强钙钛矿结晶质量和最小化缺陷来抑制Br-I相分离可以提高WBG钙钛矿光伏性能。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf0194

作者介绍

朱凯老师介绍：

https://www.nrel.gov/research/staff/kai-zhu.html