黄维-秦天石团队Nature Communications:钙钛矿电池遇见榫卯结构

• 【导读】

钙钛矿太阳能电池发展迅速，其效率在短短几年内迅速逼近商用单晶硅太阳能电池。进一步提升钙钛矿太阳能电池效率的关键在于优化钙钛矿的晶体质量并解决不同种电荷抽取不平衡的难题。  

• 【成果掠影】

近日，南京工业大学黄维院士和秦天石教授团队在Nature Communications上发表了新的研究论文，创新性的将榫卯结构引入钙钛矿太阳能电池，不仅有效地降低了钙钛矿中的缺陷浓度同时也增大了空穴传输层（HTL）与钙钛矿的接触面积，从而大幅提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。在本项研究中，作者将具有模板作用的热聚合物添加剂（N-乙烯基吡咯烷酮，NVP）与常用HTL/氯苯旋涂工艺结合，不仅有效去除了钙钛矿薄膜中的杂相并获得了具有大晶粒尺寸（~1 µm）的钙钛矿薄膜。更重要的是，该种方法可以在钙钛矿和HTL之间构建类似榫卯结构，从而优化电荷传输性能。具有该种榫卯结构的器件的开路电压、短路电流和填充因子均优于参比器件（榫卯：1.195 V，25. 77 mA，80.19%。参比：1.151 V，25.21 mA，78.94%）。此外，榫卯结构器件的光电转换效率更是高达24.69%。同样值得强调的是，具有榫卯结构的器件的T₉₀超过1100小时，远高于参比器件。

相关研究文章以“Monolithically-grained perovskite solar cell with Mortise-Tenon structure for charge extraction balance”为题发表在Nature Communications上。

• 【核心创新点】

通过热聚合物的模板效应，提升了钙钛矿薄膜的结晶性降低非辐射复合，构建了钙钛矿和HTL间的榫卯结构增强空穴抽取，最终大幅提升了钙钛矿太阳能电池的效率。

• 【数据概览】

图1. 钙钛矿/NVP薄膜的结晶、结构和形貌。©2023 The Authors

图2. 榫卯结构的形成机理。©2023 The Authors

图3. 参比薄膜和钙钛矿/NVP薄膜的光电性能。©2023 The Authors

图4. 钙钛矿器件的性能和稳定性。©2023 The Authors

• 【成果启示】

相比以往的研究中的添加剂通常仅起到优化晶体质量的作用，本研究所报道的添加剂则一箭双雕，不仅优化了晶体质量也通过形成榫卯结构促进了空穴抽取，这为钙钛矿太阳能电池研究提供了新的思路。进一步优化钙钛矿和空穴传输层间的榫卯结构分布，将有助于促进太阳能电池效率的继续提升。

原文详情：Fangfang Wang, Mubai Li, Qiushuang Tian, Riming Sun, Hongzhuang Ma, Hongze Wang, Jingxi Chang, Zihao Li, Haoyu Chen, Jiupeng Cao, Aifei Wang, Jingjin Dong, You Liu, Jinzheng Zhao, Ying Chu, Suhao Yan, Zichao Wu, Jiaxin Liu, Ya Li, Xianglin Chen, Ping Gao, Yue Sun, Tingting Liu, Wenbo Liu, Renzhi Li, Jianpu Wang, Yi-bing Cheng, Xiaogang Liu, Wei Huang & Tianshi Qin, Monolithically-grained perovskite solar cell with Mortise-Tenon structure for charge extraction balance. Nature Communications, 2023, 14, 3216.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38926-3

本文由NSCD供稿。