武汉大学柯维俊/方国家团队在叠层太阳能电池研究取得新进展

　　近日，Nature Communications(《自然⸱通讯》)和Advanced Materials(《先进材料》)相继刊登了武汉大学柯维俊、方国家教授团队关于钙钛矿叠层太阳能电池的最新研究成果，武汉大学为第一通讯单位。
 

　　钙钛矿太阳能电池作为太阳能电池领域的新兴力量，近年来凭借其低廉的原料成本、可溶液加工的特性、良好的弱光效应以及卓越的光电性质，迅速崭露头角。单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已突破27%，然而，随着单结电池的效率日益接近其理论Shockley-Queisser效率极限，进一步提升效率面临严峻挑战。在此背景下，全钙钛矿叠层太阳能电池应运而生，它由顶部宽带隙钙钛矿子电池和底部窄带隙钙钛矿子电池叠加而成，因具有超越单结钙钛矿太阳能电池理论效率的潜力，理论效率可达约45%，从而吸引了科研人员和产业界的广泛关注。
 

　　在全钙钛矿叠层太阳能电池中，窄带隙锡铅钙钛矿薄膜的晶体质量对长波段光的吸收转化效率至关重要，进而影响整体光电性能。然而，在制备窄带隙锡铅钙钛矿薄膜时，由于结晶速度快且不均衡，导致薄膜缺陷众多、晶界杂乱，严重阻碍了载流子的传输。为解决这一难题，研究团队采用了种子诱导结晶技术，通过在钙钛矿前驱体溶液中加入特定种子，利用这些种子的单一晶面取向，引导晶体沿特定方向生长，从而形成高质量薄膜。研究团队创新性地设计了一种原位形成ABX3结构氧化物种子的策略来调控钙钛矿结晶。他们在钙钛矿前驱体中引入锡酸钾，使其与碘化铅反应生成碘化钾和锡酸铅。其中，碘化钾有效钝化缺陷，而与主相钙钛矿具有98%晶格匹配的PbSnO3则充当模板种子。这种方法不仅促进了预成核团簇的形成，还实现了择优取向结晶。实验结果显示，将锡酸钾引入钙钛矿前驱体和空穴传输层后，单结1.25 eV窄带隙锡铅混合钙钛矿太阳能电池实现了23.12%的稳态输出效率。此外，全钙钛矿叠层器件的效率也达到了28.12%(两端)和28.81%(四端)。这种通用的模板种子方法还成功提升了1.77 eV和1.54 eV带隙电池的性能。相关研究成果以“Universal In-situ Oxide-based ABX3-structured Seeds for Templating Halide Perovskite Growth in All-perovskite Tandems”《基于氧化物的ABX3结构原位种子用于全钙钛矿叠层器件中卤化物钙钛矿的模板生长》为题，发表在Nature Communications上，博士生陈卫清、周顺、崔鸿森、孟威威(华南师范大学特聘副研究员)为论文的共同第一作者，柯维俊教授为论文的唯一通讯作者。
 

 

　　除了窄带隙锡铅混合钙钛矿外，构筑全钙钛矿叠层电池还需要高性能的宽带隙混合卤素钙钛矿。然而，由于结晶过程不可控，宽带隙混合卤素钙钛矿电池往往表现出较差的薄膜质量。针对这一问题，研究团队提出了一种通过在钙钛矿前驱体溶液中引入甘氨酰胺盐酸盐分子的方法，显著提高了宽带隙钙钛矿的薄膜质量和器件性能。该方法通过调节制备过程中的形核结晶速度，使晶粒增大、缺陷密度降低，形成高取向的宽带隙钙钛矿薄膜，从而显著延长了载流子寿命。实验结果显示，采用该方法制备的1.77 eV带隙刮涂钙钛矿太阳能电池实现了当时世界最高效率19.97%。此外，基于优化后的宽带隙钙钛矿构筑的两端刮涂全钙钛矿叠层电池也实现了26.87%的高光电转换效率。相关研究成果以“Efficient Blade-Coated Wide-Bandgap and Tandem Perovskite Solar Cells via a Three-Step Restraining Strategy” 《基于三步抑制策略的高效刮涂宽带隙和叠层钙钛矿太阳能电池》为题，发表在Advanced Materials上，博士生方鸿翼为论文的第一作者，博士生蒲德馨、方国家教授、柯维俊教授为论文的共同通讯作者。
 

        系列研究工作得到了国家自然科学基金和武汉大学科研公共服务条件平台的支持。