Nature： 外平面阳离子均一化钙钛矿太阳能电池，效率提升了26.1%

Andy 1年前 (2023-11-02) 2149浏览

01. 导读

在当今的能源危机和气候变化威胁下，寻找可再生能源解决方案已经成为全球科学界和工业界的当务之急。太阳能电池技术一直备受关注，因为它具有无限的能源供应、环保和高效的潜力。钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSCs）是太阳能电池领域的一项突破性技术，近年来取得了显著的进展。

铅卤化物钙钛矿太阳能电池是一种新型太阳能电池，其活性层通常由钙钛矿结构的材料组成，具有优越的光电性能，高效的光吸收和较低的制造成本。这些特点使PSCs成为了一个备受瞩目的领域，并吸引了广泛的研究兴趣。

铅卤化物钙钛矿太阳能电池在相对短的时间内实现了显著的效率提升，从最初的不到4%提高到如今已经超过25%的效率，接近传统硅太阳能电池的性能水平。这一迅猛的发展主要得益于新型的材料设计、工艺优化以及更高效的光电转换机制的发现。

然而，值得注意的是，特别是使用FA-Cs合金钙钛矿对A位组成进行调节，已经成为提高效率的有希望的方法。然而，由于阳离子分离，包含Cs的钙钛矿的稳定性引发了日益增加的担忧，这可能进一步加速长期降解。目前尚未完全了解这些不均匀相在钙钛矿中的分布以及它们对效率的直接影响。

02. 成果掠影

鉴于此，中国科学院固体物理研究所潘旭等人通过不同研究机构和国际团队之间交流，可视化了垂直方向上钙钛矿薄膜中的空间不均匀相分布，并提出了设备性能受外平面组分不均匀性限制的观点。此外，团队还发现A位组分之间不平衡的结晶和相变过程对FA-Cs相分离有重要影响。为解决这一问题，他们设计了一种策略，利用1-(苯磺酰基)吡咯（PSP）作为添加剂，延缓了FA-Cs钙钛矿的阳离子分离行为。经过PSP处理的p-i-n结构的器件实现了26.1%的最高效率（认证反向效率为25.8%和认证稳态效率为25.2%）。相关研究成果以“Out-of-plane cations homogenise perovskite composition for solar cells”为题，发表在顶级期刊《Nature》上。

03. 核心创新点

本文的核心创新点是通过使用1-(苯磺酰基)吡咯（PSP）添加剂，成功减缓了FA-Cs钙钛矿太阳能电池中的阳离子分离现象，提高了太阳能电池的性能和稳定性。

04. 数据概览

图1. 空间垂直FA-Cs相分离的存在。a，示意图展示了由于外平面FA-Cs分离引起的不均匀相分布。b，电荷势能（ESP）图像和PSP的分子结构。c，从飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）光谱中获得的参考（蓝色）和PSP（红色）器件的阳离子分布。d，从依赖深度的X射线光电子能谱（XPS）测量中提取的参考（实线）和PSP（虚线）的原子百分比剖面。e-f，参考样品（e）和经过PSP处理的样品（f）的高角度暗场透射电子显微镜（HAADF-TEM）图像（比例尺为200纳米）。每幅图像的第二排是从相应的方框区域获得的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像（比例尺为1纳米）。第三排表示沿3纳米范围内的强度变化的计算。在相应图像中标明了计算的晶格面间距。g-h，从参考（g）和PSP（h）处理的钙钛矿薄膜底部收集的放射线衍射光谱（GIXRD）的放大图谱。通过改变X射线束入射角度，可以获得具有空间垂直分辨率的结构信息。

图2. 揭示了FA-Cs相分离的起源。a，原位合成chrotron辐射示踪入射广角X射线散射图案，显示了结晶和相变过程。b-c，计算结果示意图，显示了在结晶和相变过程中参考系统（b）和PSP系统（c）中自由能演化的过程。浅蓝色和浅红色填充的矩形分别代表相关的FAPbI3相和CsPbI3相。蓝色和红色的实线表示FAPbI3和CsPbI3的自由能演化。d-e，EXAFS测量结果的Fourier变换R空间结果图。f，根据EXAFS测量计算的Pb-O配位比例图。g，PSP和PSP(PbI2)复合物的FTIR光谱图案。

图3. 光电特性。a，沉积在石英玻璃衬底上的钙钛矿薄膜经过PSP处理和未经处理的稳态光致发光（PL）光谱。b，沉积在石英玻璃衬底上的钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光（TRPL）光谱。实线是采用双指数拟合方法拟合的结果。c，FA0.95Cs0.05PbI3钙钛矿的构建晶格模型。晶格的(100)平面暴露以吸附PSP分子进行密度泛函理论（DFT）计算。d，包括参考和PSP系统中各种类型缺陷的缺陷形成能量（DFE）计算结果的统计图。e-f，钙钛矿薄膜（e）和PSP钙钛矿薄膜（f）内的带间对齐示意图。能带最小值（CBM）、价带最大值（VBM）和费米能级（EF）的值是从深度剖面紫外光电子谱中提取的。

图4. 器件性能和稳定性。a，实验室规模中冠军p-i-n PSCs的J-V曲线。活性区域约为0.073 cm2。逆向扫描和SPO曲线的详细光伏参数嵌入在图中。b，PSP太阳电池的光子到电子转化效率（IPCE）图。红色实线表示积分JSC。c，在LED模式下从参考和PSP太阳电池中测量的EQE曲线。内部照片是LED模式下工作的PSCs。d，有无PSP的大规模PSCs的J-V曲线。内部照片是1 cm2活性区域的大规模PSCs。e，未封装的参考和PSP设备在最大功率点（MPP）下连续跟踪下的归一化PCE演变曲线，遵循ISOS L-1I协议。参考设备和PSP设备的初始PCE分别为25.40%和23.54%。f，根据ISOS D-3协议，在85°C和85%相对湿度（RH）下测试的封装设备的湿热可靠性测试结果。基于ITO/PTAA/Perovskite/C60/Au叠层的器件堆栈用于湿热测试。实线表示六个独立设备的平均PCE演变。参考设备和PSP设备的初始平均PCE分别为19.2%和21.8%。

05. 成果启示

本文的研究成果为铅卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）领域提供了重要的启示。通过引入1-(苯磺酰基)吡咯（PSP）策略，成功减缓了FA-Cs相分离现象，进一步改进了PSCs的性能和稳定性。这一研究对于铅卤化物钙钛矿太阳能电池的未来发展有着深远的启示作用，具体如下：

  1. 提高效率和稳定性：PSP的引入为PSCs的效率提高提供了新途径，使得最大功率点（MPP）的稳态效率达到了25.8%。这表明，合理的材料设计和工程策略可以显著提高太阳能电池的性能，进一步推动其商业应用。
  2. 增强长期稳定性：研究还证明，经过PSP处理的PSCs在长期稳定性方面表现出更好的性能。这对于太阳能电池的商业化应用至关重要，因为稳定性通常是影响其寿命和可持续性的关键因素。
  3. 理解相分离机制：本研究深入研究了FA-Cs相分离现象的机制，为进一步解决PSCs中的相分离问题提供了重要线索。这有助于设计更加稳定和高效的钙钛矿材料，推动其在太阳能电池领域的广泛应用。

总之，本研究的成果不仅有助于改进铅卤化物钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性，还为可再生能源领域的发展提供了重要的启示。这些发现为更高效、更稳定的太阳能电池技术的实现提供了重要线索，有望推动清洁能源产业的进一步发展和应用。

 

原文详情：Liang, Z., Zhang, Y., Xu, H. et al. Out-of-plane cations homogenise perovskite composition for solar cells. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06784-0

本文由Andy供稿。

分享到