近日，Nature Communications(《自然?通訊》)和Advanced Materials(《先進(jìn)材料》)相繼刊登了武漢大學(xué)柯維俊、方國(guó)家教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的最新研究成果，武漢大學(xué)為第一通訊單位。
 

　　鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的新興力量，近年來(lái)憑借其低廉的原料成本、可溶液加工的特性、良好的弱光效應(yīng)以及卓越的光電性質(zhì)，迅速嶄露頭角。單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已突破27%，然而，隨著單結(jié)電池的效率日益接近其理論Shockley-Queisser效率極限，進(jìn)一步提升效率面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此背景下，全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池應(yīng)運(yùn)而生，它由頂部寬帶隙鈣鈦礦子電池和底部窄帶隙鈣鈦礦子電池疊加而成，因具有超越單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池理論效率的潛力，理論效率可達(dá)約45%，從而吸引了科研人員和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
 

　　在全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池中，窄帶隙錫鉛鈣鈦礦薄膜的晶體質(zhì)量對(duì)長(zhǎng)波段光的吸收轉(zhuǎn)化效率至關(guān)重要，進(jìn)而影響整體光電性能。然而，在制備窄帶隙錫鉛鈣鈦礦薄膜時(shí)，由于結(jié)晶速度快且不均衡，導(dǎo)致薄膜缺陷眾多、晶界雜亂，嚴(yán)重阻礙了載流子的傳輸。為解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)采用了種子誘導(dǎo)結(jié)晶技術(shù)，通過(guò)在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中加入特定種子，利用這些種子的單一晶面取向，引導(dǎo)晶體沿特定方向生長(zhǎng)，從而形成高質(zhì)量薄膜。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種原位形成ABX3結(jié)構(gòu)氧化物種子的策略來(lái)調(diào)控鈣鈦礦結(jié)晶。他們?cè)阝}鈦礦前驅(qū)體中引入錫酸鉀，使其與碘化鉛反應(yīng)生成碘化鉀和錫酸鉛。其中，碘化鉀有效鈍化缺陷，而與主相鈣鈦礦具有98%晶格匹配的PbSnO3則充當(dāng)模板種子。這種方法不僅促進(jìn)了預(yù)成核團(tuán)簇的形成，還實(shí)現(xiàn)了擇優(yōu)取向結(jié)晶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，將錫酸鉀引入鈣鈦礦前驅(qū)體和空穴傳輸層后，單結(jié)1.25 eV窄帶隙錫鉛混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了23.12%的穩(wěn)態(tài)輸出效率。此外，全鈣鈦礦疊層器件的效率也達(dá)到了28.12%(兩端)和28.81%(四端)。這種通用的模板種子方法還成功提升了1.77 eV和1.54 eV帶隙電池的性能。相關(guān)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結(jié)構(gòu)原位種子用于全鈣鈦礦疊層器件中鹵化物鈣鈦礦的模板生長(zhǎng)》為題，發(fā)表在Nature Communications上，博士生陳衛(wèi)清、周順、崔鴻森、孟威威(華南師范大學(xué)特聘副研究員)為論文的共同第一作者，柯維俊教授為論文的唯一通訊作者。
 

 

　　除了窄帶隙錫鉛混合鈣鈦礦外，構(gòu)筑全鈣鈦礦疊層電池還需要高性能的寬帶隙混合鹵素鈣鈦礦。然而，由于結(jié)晶過(guò)程不可控，寬帶隙混合鹵素鈣鈦礦電池往往表現(xiàn)出較差的薄膜質(zhì)量。針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種通過(guò)在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中引入甘氨酰胺鹽酸鹽分子的方法，顯著提高了寬帶隙鈣鈦礦的薄膜質(zhì)量和器件性能。該方法通過(guò)調(diào)節(jié)制備過(guò)程中的形核結(jié)晶速度，使晶粒增大、缺陷密度降低，形成高取向的寬帶隙鈣鈦礦薄膜，從而顯著延長(zhǎng)了載流子壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用該方法制備的1.77 eV帶隙刮涂鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界最高效率19.97%。此外，基于優(yōu)化后的寬帶隙鈣鈦礦構(gòu)筑的兩端刮涂全鈣鈦礦疊層電池也實(shí)現(xiàn)了26.87%的高光電轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)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寬帶隙和疊層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池》為題，發(fā)表在Advanced Materials上，博士生方鴻翼為論文的第一作者，博士生蒲德馨、方國(guó)家教授、柯維俊教授為論文的共同通訊作者。
 

        系列研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和武漢大學(xué)科研公共服務(wù)條件平臺(tái)的支持。