山东大学陈召来团队Adv. Funct. Mater.：单晶钙钛矿太阳能电池的发展和前景

【引言】

在过去的10年里，钙钛矿太阳能电池的效率已经提高到25.2%，得益于金属卤化物钙钛矿材料的优越性质。与目前广泛研究的多晶薄膜相比，无晶界的单晶钙钛矿具有更好的光电性质和稳定性，理论上能够获得更高光电效率和稳定的太阳能电池。此外，单晶钙钛矿太阳能电池是进一步研究钙钛矿材料界面和晶界工作原理的一个极好的模型系统。不幸的是，只有少数团队参与了单晶钙钛矿太阳能电池的开发；目前，该领域的发展远远落后于其多晶对应领域。因此，迫切需要一篇讨论单晶钙钛矿太阳能电池的最新发展和挑战的综述报告，为这一新兴领域提供指导。

【成果简介】

近日，在山东大学陈召来教授（通讯作者）带领下，与曲阜师范大学合作，总结了钙钛矿单晶太阳能电池的发展和前景。具体介绍了单晶钙钛矿的优点，钙钛矿单晶薄膜（SCTF）的各种生长方法的最新研究进展以及太阳能电池的制备方法。随后，详细介绍了单晶钙钛矿太阳能电池的挑战和建议的解决方案，包括界面陷阱电荷钝化和体陷阱电荷钝化、SCTF与衬底的接触、厚度控制、组件和设备接口工程以及大面积制造。相关成果以题为“Single Crystal Perovskite Solar Cells: Development and Perspectives”发表在了Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1 单晶钙钛矿的光学性质

a）甲基铵三碘化铅（MAPbI₃）材料的的直接带隙跃迁、间接带隙跃迁及吸收系数示意图。

b）MAPbI₃单晶和多晶薄膜的归一化吸收光谱。

c）计算出MAPbI₃单晶太阳能电池的J_sc，V_oc和PCE对单晶薄膜厚度（SCTF）的理想依赖关系。

 图2 单晶钙钛矿的电学性质

a）空穴专用MAPbI₃单晶器件的电流-电压曲线。

b）逆温结晶法生长的MAPbI₃单晶的瞬态吸收。

c）MAPbI₃(Cl)单晶的瞬态光伏曲线。

d）顶部籽晶熔盐法生长MAPbI₃单晶的时间分辨微波电导率结果。

e）钙钛矿太阳能电池的器件效率模拟结果与晶粒尺寸和表面钝化的关系。

图3 单晶钙钛矿的稳定性

a）储存在85%湿度下不同时间的MAPbI₃多晶薄膜的照片。在不同的退火时间下，采用两步扩散法制备了薄膜。

b）未经封装在空气中储存2年以上的MAPbI₃单晶照片。

c）扫描渗透电子显微镜（STEM）/能谱X射线能谱（EDS）研究水分与钙钛矿晶界的快速渗透/反应。

d）在电极化后通过扫描电子显微镜（SEM）和EDS观察到，元素在晶界处重新分布。

图4 MAPbBr₃ SCTF的整个晶体生长过程

a）MAPbBr₃ SCTF的照片和横截面SEM图像，以及整个晶体生长过程的图示。

b）不同前体浓度的MAPbBr₃ SCTF厚度的统计直方图。

c）（002）衍射的摇摆曲线，其半峰全宽为0.040°。 为了比较，还显示了MAPbBr₃块状单晶的摇摆曲线。

图5 空间限制法生长钙钛矿SCTF的示意图

a）空间限制法生长钙钛矿SCTF的示意图。两个平板载玻片被两个垫片隔开，形成一个微型反应器。

b）微型反应器的照片；不同厚度和形状的MAPbI₃ SCTF的照片和横截面SEM图像；使用常规方法生长MAPbI₃单晶的照片。

c）MAPbI₃ SCTF的XRD、摇摆曲线、吸收和空间电荷限流表征。

d）使用空间限制法生长MAPbBr₃ SCTF的示意图；光致发光和吸收，空间‐电荷‐限流特性生长的MAPbBr₃ SCTF的照片。

e）使用空间限制方法生长的MAPbBr₃，MAPbI₃，MAPbCl₃ SCTF的SEM图像。

f）各种厚度的MAPbB_r3 SCTF的原子力显微镜（AFM）截面轮廓和3D图像； SCTF厚度与施加压力之间的非线性关系。

图6 疏水界面晶体局部横向生长方法的生长机理

a）疏水界面晶体局部横向生长方法的生长机理。利用亲水和疏水基团在有限空间内进行离子扩散过程的示意图和照片。

b）不同厚度的MAPbI₃ SCTF的照片和横截面SEM图像。

图7钙钛矿SCTF种子印刷的示意图

a）钙钛矿SCTF种子印刷的示意图。首先，使用喷墨印刷方法制造钙钛矿种子印记。其次，将制备的种子印记用钙钛矿溶液覆盖在目标衬底上，随着溶剂的干燥，钙钛矿SCTF在原位生长。

b）用于钙钛矿SCTF生长的图案化钙钛矿种子的光学图像。比例尺：100 µm。

c）钙钛矿种子在石英玻璃上生长24小时的照片。比例尺：100 µm。

图8 单晶薄晶圆切片工艺示意图

a）单晶薄晶圆切片工艺示意图。FAPbI₃母体单晶和获得的SCTF的照片。

b）线切割和机械抛光后湿法蚀刻制备MAPbI₃ SCTF的示意图。

c）MAPbI₃ SCTF的横截面SEM图像，厚度为15到125 µm。

图9 通过表面张力辅助生长法生长钙钛矿SCTF的机理示意图

a）通过表面张力辅助生长法生长钙钛矿SCTF的机理示意图。

b）MAPbBr₃，MAPbI₃和MASnBr₃ SCTF的厚度为5-10 µm的照片及c）俯视图和截面SEM图像。

图10 单晶钙钛矿太阳能电池的性能表征

a）ITO/MAPbBr₃/Au和FTO/TiO₂/MAPbBr₃/Au结构的MAPbBr₃单晶太阳能电池的能带排列、暗和亮电流密度-电压（J-V）曲线、外量子效率（EQE）和内量子效率（IQE）曲线。

b）2块MAPbBr₃单晶太阳能电池和2块多晶太阳能电池的稳定性测试。

c）MAPbBr₃单晶太阳能电池的横截面SEM图像、在AM 1.5光照下的J-V曲线和EQE曲线。

图11 MAPbI₃单晶太阳能电池的性能表征

a-c）MAPbI₃单晶太阳能电池的a）器件结构，b）在不同扫描方向上的J−V曲线，及c）稳定的J_sc和PCE。

d-h）一流的MAPbI₃单晶太阳能电池的d）横截面SEM图像，e）能级图，f）不同扫描方向下的J-V曲线，g）EQE曲线和积分J_sc，及h稳定的J_sc和PCE。所有过程均在手套箱中进行。

i）相同器件结构的最佳MAPbI₃单晶和多晶太阳能电池的J-V曲线比较。

图12 MAPbI₃单晶太阳能电池的器件

a,b）基于自上而下法的MAPbI₃单晶太阳能电池在不同扫描方向上的a）器件结构和b）J-V曲线。

c,d）最佳(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15单晶太阳能电池的c）能级图和d）J-V曲线。

图13 钙钛矿单晶太阳能电池的器件结构及影响器件性能的关键因素

【小结】

综上所述，近3年来，单晶钙钛矿太阳能电池在SCTF生长和效率提高方面发展迅速。关于钙钛矿太阳能电池的最新报告显示，这些材料有潜力进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率，但这些材料仍然面临着界面陷阱电荷、厚度控制、界面工程、大面积制造等挑战。除了更高的效率和更好的稳定性外，单晶钙钛矿太阳能电池为进一步研究钙钛矿界面和晶界的工作原理提供了一个出色的模型系统。因此，单晶钙钛矿太阳能电池应该受到与多晶钙钛矿太阳能电池同等的关注。考虑到钙钛矿的优异的光电性能和稳定性，预计在不久的将来，单晶钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性将超过多晶太阳能电池。然而，更高的效率和更好的稳定性仅仅是多晶太阳能电池优化的一个上限。相比之下，大面积的制造策略，尤其是满足工业标准的制造策略，对于实现单晶钙钛矿太阳能电池的实际应用更为重要。高质量、大面积的钙钛矿SCTFs的简单制造无疑将使单晶钙钛矿太阳能电池成为未来光伏应用的绝佳替代品。

文献链接：Single Crystal Perovskite Solar Cells: Development and Perspectives（Adv. Funct. Mater.，2019，DOI:10.1002/adfm.201905021）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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