暨南大学麦耀华团队Adv. Energy Mater.：一步刮涂法构筑2D/3D层状异质结提升大面积钙钛矿光伏性能和稳定性

【引言】

有机-无机卤化物钙钛矿因其具有带隙可调，吸光系数高，优异的载流子传输性能以及可溶液加工等优点，是一种极具应用前景的光伏材料。经历短短十年的发展，钙钛矿太阳能电池的能量转化效率已由最初的3.8%提升至当前的25.2%。然而，在钙钛矿太阳能电池效率稳步提升的同时，钙钛矿对光、热和水氧的稳定性问题已经成为其产业化进程的瓶颈。构筑2D/3D异质结钙钛矿被证明是一种提高器件环境稳定性的有效策略。此外，开发涂布印刷和大面积结晶工艺实现大面积钙钛矿薄膜和组件的制备也是其产业化道路上亟需解决的一个挑战。

【成果简介】

近日，暨南大学新能源技术研究院麦耀华团队在构筑2D/3D层状异质结钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展，研究成果以“Spontaneously Self-Assembly of a 2D/3D Heterostructure Enhances the Efficiency and Stability in Printed Perovskite Solar Cells”为题发表在Advanced Energy Materials（AEM）上。新能源技术研究院博士后胡金龙和郑州大学联合培养硕士研究生王川为共同第一作者，麦耀华教授和郭飞研究员为文章通讯作者。

【文章亮点】

与前期文献广泛报道的两步法旋涂制备工艺不同，作者首次实现基于自组装一步刮涂法制备2D/3D异质结MAPbI₃钙钛矿。得益于大尺寸分子S-苄基-L-半胱氨酸（SBLC）的两亲性结构以及其独特的溶解性行为，通过一步刮涂结合真空淬灭结晶策略，一薄层2D钙钛矿完美地自组装覆盖在3D钙钛矿表面。表面2D层钙钛矿有效的钝化3D钙钛矿的表面缺陷，抑制了非辐射复合，大幅提升了电池的开路电压。小尺寸（0.09 cm²）2D/3D钙钛矿太阳能电池开路电压相比于3D钙钛矿器件提高了 100 mV，高达1.2 V。此外，基于刮涂法制备的2D/3D串联模组（活性面积10.08 cm²）效率达到了15.38%，子电池平均开路电压高达1.17 V，是目前子电池电压最高的钙钛矿组件。同时，2D/3D钙钛矿器件表现出更好的光、热以及湿度稳定性。

【图文导读】

  图1一步刮涂2D/3D层状钙钛矿及形貌研究

图（a）为SBLC分子结构；

图（b）为一步刮涂法制备2D/3D异质结钙钛矿过程示意图；

图（c）和（d）分别为3D 和2D/3D钙钛矿的SEM照片；

图（e）和（f）分别为3D 和2D/3D钙钛矿的横截面SEM照片。

图2：2D/3D层状异质结微观结构

图（a）和（b）为3D 和2D/3D钙钛矿的XRD谱图；

图（c）3D 和2D/3D钙钛矿的紫外吸收光谱图；

图（d）和（e）2D/3D钙钛矿的TEM照片；

图（f）2D/3D钙钛矿的晶体结构示意图。

图3：2D/3D层状异质结电池光伏性能

图（a）为反式钙钛矿太阳能电池结构示意图；

图（b）为3D 和2D/3D钙钛矿器件的J-V曲线；

图（c）为50个3D 和2D/3D钙钛矿器件的VOC统计柱状图；

图（d）为3D 和2D/3D钙钛矿器件的EQE曲线；

图（e）为连续光照下3D 和2D/3D钙钛矿器件VOC随时间变化的曲线；

图（f）为2D/3D钙钛矿器件的SPO曲线。

图4：基于2D/3D异质结钙钛矿大面积模组

图（a）为四节子电池串联的钙钛矿组件（活性面积为10.08cm-2）照片及对应的J-V曲线（b）。

课题组研究方向和进展：大面积钙钛矿的印刷制备和全无极钙钛矿是我们团队在钙钛矿电池领域的两个重点研究方向。在过去一年里，课题组在钙钛矿薄膜太阳电池印刷工艺开发、Sn-Pb混合钙钛矿印刷制备以及高效全无机钙钛矿模组制备方面取得的主要进展：（1）基于二步法印刷制备钙钛矿太阳电池：通过合理的溶剂选择和真空辅助结晶工艺制备具有孔状结构的碘化铅（PbI₂），实现了钙钛矿薄膜结晶性和薄膜形貌的精细调控（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900964）。（2）开发了具有普适性的室温下一步刮涂法制备大面积钙钛矿薄膜的印刷工艺（Adv. Sci. 2019, 6, 1901067）。基于此工艺，首次实现窄带隙Sn-Pb混合钙钛矿的印刷制备（Nano Energy 2019, 66, 104099）。（3）高效全无机钙钛矿：利用双掺杂的方式对C₆₀电子传输层进行调制，有效降低了太阳电池器件的开路电压（V_OC）损失，首次报道了基于无钙钛矿材料的太阳电池模组，效率超过12%（Adv. Mater. 2020, 32, 1907361）。

文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202000173