钙钛矿太阳能电池研究进展

一、背景介绍

钙钛矿是一种分子通式为ABX3的晶体材料，A指的是其中较大的阳离子，B是较小的阳离子，X是阴离子，呈八面体形状。钙钛矿通常指的不是特定的材料，而是一种结构、一类物质。钙钛矿晶体制备工艺简单，光电转换效率高，在光伏、LED等领域应用广泛。

二、文献分析

1、Spiro-OMeTAD离子调制自由基掺杂用于更高效和稳定的钙钛矿太阳电池

第一作者：张天恺、王锋

通讯作者：高峰、王锋

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2757

发表日期：2022年7月28日

在钙钛矿太阳能电池中，高功率转换效率(PCE)通常通过一种称为Spiro-OMeTAD的有机空穴转运体获得。这种材料必须掺杂才能有足够的导电性和最佳的功函数，但传统的锂有机盐工艺需要很长的氧化步骤，这也影响了器件的稳定性。张等人采用稳定的有机自由基作为掺杂剂，离子盐作为掺杂调节剂(简称离子调制自由基掺杂)，开发了一种避免后氧化的Spiro-OMeTAD掺杂新策略。优化后的器件实现>25%的PCE，大大提高了设备在恶劣条件下的稳定性。

2、结合前驱体工程和晶粒锚固，制备稳定的FAPBI3钙钛矿电池

第一作者：Lei Yusheng

通讯作者：徐升

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04961-1

发表日期：2022年8月10日

与三维(3D)相比较，低维金属卤化物钙钛矿(2D和准2D;B2An−1 MnX3n + 1,如B = R-NH3+ = HC (NH2) 2+, Cs +; M = Pb2+, Sn2+;X = Cl−，Br−，I−)具有周期性的无机-有机结构，表现出良好的稳定性和无磁滞电性能。然而，由于多晶体的晶界和随机取向的量子阱，限制了器件效率。本文报道了一种低维金属卤化物钙钛矿BA2MAn−1SnnI3n+1（BA,丁基铵；MA，甲基铵；n=1,3,5）超晶格，无机板垂直于衬底排列，并在平行于衬底的纵横交错的二维网络中相互连接，从而实现高效的三维载流子传输。晶格不匹配的衬底压缩了有机间隔，从而削弱了量子限制。在准稳态下，超晶格太阳能电池的光电转换效率稳定在12.36%。此外，带内激子弛豫过程可能产生异常高的开路电压(VOC)。

3、高效倒置钙钛矿太阳能电池表面硫化构建异质结

第一作者：LI XIAODONG

通讯作者：方俊锋

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl5676

发表日期：2022年1月27日

具有高功率转换效率(PCE)和稳定性的钙钛矿太阳能电池(PSCs)已被报道在常规的n-i-p器件中，但更容易用于串联太阳能电池的倒p-i-n PSCs通常具有较低的PCEs(22 - 23%)。Li等人用六甲基二硅酸烷对富铅层进行了硫化，铅-硫键改变了钙钛矿转运层界面的费米能级，从而产生了增强电子提取的电场。得到的倒置器件的功率转换效率(PCE)为>24%，开路电压高达1.19伏特，对应的电压损失为0.36伏特。强Pb-S键可以稳定钙钛矿异质结，增强具有相似晶格的钙钛矿底层结构。在55°C光照操作1000小时和85°C暗老化2200小时时，仍保留超过90%的初始PCE。

4、高效钙钛矿太阳能电池在碘离子入侵下的稳定传输空穴

第一作者：Wang Tao

通讯作者：杨旭东

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6235

发表日期：2022年9月8日

高效的卤化物钙钛矿太阳能电池通常依赖于锂盐掺杂的有机空穴传输层，这在热和化学上是不稳定的，部分原因是碘离子从钙钛矿层迁移。杨旭东等人报告了一种通过离子交换过程离子耦合正聚合物自由基和分子阴离子来稳定有机层中空穴传输的解决方案策略。目标层的孔导电性比传统的锂掺杂层高80倍。此外，在85°C光照200小时后引起的极端碘离子侵入后，目标层保持了较高的空穴导电性和匹配良好的能带排列。这种离子交换策略使得钙钛矿太阳能电池的转换效率达到了23.9%，在标准光照85°C下，1000小时后转换效率保持在92%。

5、晶粒表面钝化的全钙钛矿太阳能叠层电池

第一作者：Lin Renxingi

通讯作者：谭海仁、Edward H. Sargent

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04372-8

发表日期：2021年7月14日

全钙钛矿串联太阳能电池有望超过单结太阳能电池的效率极限。然而，到目前为止，性能最好的全钙钛矿串联太阳能电池的认证效率低于单结钙钛矿太阳能电池。为了在串联太阳能电池中获得高光电流密度，需要一个厚的铅锡混合窄带隙子电池，但由于铅锡钙钛矿内的载流子扩散长度较短，这是具有挑战性的。谭海仁等人开发了具有长扩散长度的铵阳离子钝化铅锡钙钛矿，使亚电池的吸收层厚度约为1.2 μm。研究者报告了全钙钛矿串联太阳能电池的认证效率为26.4%，超过了性能最好的单结钙钛矿太阳能电池。封装串联装置在环境条件下，在1个太阳光照下，在最大功率点运行600小时后仍能保持90%以上的初始性能。