华北电力大学李美成团队Nature Energy:平面p-n同质结钙钛矿电池效率超过21.3%

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其高的光电转换效率及简单廉价的制备工艺，在光伏领域掀起了新的研究热潮，是当前发展最快的新一代薄膜光伏器件。短短几年内，有机-无机杂化钙钛矿电池最高认证效率已经达到23.7%，与商业化的晶硅太阳能电池相当。最近的研究表明，尽可能减少钙钛矿层内及界面处载流子的复合损耗，可使光电转换效率接近理论值，主要策略包括：减少多晶钙钛矿薄膜内部缺陷（如引入多余碘离子降低深能级缺陷密度）以及设计采用介孔、平面或嵌入式器件结构来减少电子和空穴传输/提取过程中的载流子损耗。由于钙钛矿材料具有可控的自掺杂性质，在钙钛矿层与电子/空穴传输层之间形成异质结的同时，其自身也能形成同质结，可引入内建电场来促进电子和空穴的定向传输，减少载流子在钙钛矿层中的复合。在本文中，研究者团队首次提出并构建了钙钛矿p-n同质结结构，进一步将其应用于平面钙钛矿太阳电池中，器件光电效率最高可达21.38%，相比于标准p-i-n异质结钙钛矿电池，性能显著改善。

【成果简介】

近日，华北电力大学李美成教授（通讯作者），博士生崔鹏、卫东（共同第一作者）等人通过调控前躯体组分的化学计量比，采用联合沉积法制备钙钛矿p-n同质结结构，进而在p-n结处构筑了内建电场，并由器件横截面的KPFM（开尔文探针力显微镜）表征证实，促进光生载流子的定向传输，有效减少了载流子的复合损耗。基于MAPbI₃的同质结钙钛矿电池认证效率超过20%，FA_0.15MA_0.85PbI₃基的同质结钙钛矿电池平均效率可达21.38%，相比于标准p-i-n平面钙钛矿电池器件，光电转换效率和稳定性都有了明显的改善。相关成果以题为“Planar p–n homojunction perovskite solar cells with efficiency exceeding 21.3%”发表在Nature Energy上。

【图文导读】

图一 联合沉积法制备平面同质结钙钛矿电池

(a) 无同质结的标准p-i-n平面钙钛矿电池结构；
(b) 包含p型和n型钙钛矿层同质结的平面钙钛矿电池结构；
(c) 同质结钙钛矿电池截面SEM，其中TiO₂、n型钙钛矿、p型钙钛矿、spiro和Au电极的厚度分别为20、480、60、200和100nm；
(d) 底部的n型钙钛矿层采用一步旋涂法沉积而成，顶部的p型钙钛矿层采用真空气相沉积后浸渍法沉积制备。

图二 不同钙钛矿电池中载流子的产生和复合研究

(a) 同质结钙钛矿电池的能级示意图；
(b) 不同钙钛矿电池中载流子的产生和传输示意图；
(c) AM1.5G光照下，不同钙钛矿电池在短路条件下，模拟光生载流子的产生和复合速率。

图三 钙钛矿薄膜的掺杂、载流子传输和光学性质表征

(a) 不同PbI₂/MAI摩尔比的MAPbI₃钙钛矿薄膜XPS价带谱，其中摩尔比为0.91的钙钛矿为p型，1.05和1.1为n型钙钛矿；
(b) p型和n型钙钛矿薄膜的能级图；
(c) 霍尔测试得到的钙钛矿薄膜中电子和空穴的浓度和迁移率；
(d, e) MAPbI₃钙钛矿薄膜的表面电势图，其中p型钙钛矿显示了较低的表面电势，n型钙钛矿显示了较高的表面电势，插图为两种钙钛矿薄膜的表面AFM；
(f) 钙钛矿薄膜的表面电势线扫描图，由图d和e的标记位置处得到；
(g) n型和p-n同质结钙钛矿薄膜由485nm波长激光激发，在760nm发射波长下测试得到的TRPL光谱；
(h) n型和p-n同质结钙钛矿薄膜的稳态PL光谱，其中选用的n型钙钛矿中PbI₂/MAI摩尔比为1.15，p型钙钛矿为0.91。

图四 不同偏压下平面同质结钙钛矿器件的截面KPFM表征

(a) 平面同质结钙钛矿器件的截面AFM形貌图；
(b) 图a相应的KPFM图；
(c) KFPM图中青线标记处的电势扫描图；
(d) 钙钛矿器件在不同偏压下的电势扫描图；
(e) 钙钛矿器件不同偏压下相比于无偏压时的电势差图；
(f) 钙钛矿器件在不同偏压下的电场图。

图五 钙钛矿电池的光伏性能

(a) MAPbI₃钙钛矿电池的最佳J-V性能曲线；
(b) MAPbI₃同质结钙钛矿电池最大功率点处的稳态光电流和效率输出；
(c) MAPbI₃标准p-i-n钙钛矿电池和平面同质结钙钛矿电池的效率统计；
(d) FA_0.15MA_0.85PbI₃同质结钙钛矿电池的最佳正反扫J-V性能曲线。

图六 钙钛矿薄膜和电池器件的稳定性研究

(a, b) 标准p-i-n钙钛矿电池和平面同质结钙钛矿电池的截面TEM；
(c, d) 标准p-i-n钙钛矿电池和平面同质结钙钛矿电池的局部截面TEM；
(e, f) 25℃，40%湿度条件下放置不同时间后的钙钛矿同质结截面TEM；
(d) 钙钛矿电池器件的稳定性测试(未封装，在空气中暗处保存)。

【小结】

在该研究中，作者有效地管理了钙钛矿材料的缺陷数量，通过自掺杂的方法实现了钙钛矿材料载流子浓度和分布的精确调控，建立了钙钛矿同质结结构，在改善载流子的定向传输的同时，减少了载流子的复合损耗，进而显著提升平面钙钛矿电池的光电性能。基于MAPbI₃的平面同质结钙钛矿电池认证效率超过20%，FA_0.15MA_0.85PbI₃基的平面同质结钙钛矿电池最高效率可达21.38%。相比p-i-n传统异质结钙钛矿电池，该工作为制备更高效率的平面钙钛矿电池开辟了一条有效途径，同时拓宽了钙钛矿材料在太阳电池以外领域的应用。

【团队介绍】

团队负责人李美成教授带领的华北电力大学“新能源材料与器件实验室”依托“新能源电力系统国家重点实验室”和"清洁能源学"北京市重点学科，研究与开发新型太阳电池等能量转换器件、锂/钠离子电池等能量存储器件，以及光纤传感器等未来能源互联网和综合能源系统所需新型电力、信息元器件等传感器件。
李美成，男，二级教授、博导。现任华北电力大学国家重大科技基础设施筹建办公室常务副主任，可再生能源学院副院长。2004年至2006年期间在英国剑桥大学作皇家研究员。2006年入选教育部“新世纪优秀人才”。2009年获黑龙江省第九届青年科技奖，并获黑龙江省自然科学一等奖（第一完成人）。2016年获北京市科学技术奖，2017年入选北京市百名科技领军人才，2018年入选国家创新人才推进计划“科技创新领军人才”。享受国务院政府特殊津贴专家，教育部高等学校教指委委员（2018-2022）。近年来，在太阳电池及锂离子电池领域开展了广泛深入的研究，在Energ. & Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Adv. Sci.等国际知名期刊共发表论文200余篇。

文献链接：Planar p–n homojunction perovskite solar cells with efficiency exceeding 21.3% (Nature Energy. 2019, DOI: 10.1038/s41560-018-0324-8）

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