【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】有機-無機雜化鈣鈦礦材料具備高吸光系數(shù)、低激子束縛能及高缺陷容忍度等優(yōu)異特性，是制備高效低成本光伏器件的理想材料。鈣鈦礦太陽能電池作為一種新興的光伏技術(shù)，憑借優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率、低廉的制備成本以及兼容柔性襯底等優(yōu)勢，已成為可再生能源領(lǐng)域的研究熱點。然而，鈣鈦礦光伏器件在進一步提升效率與穩(wěn)定性時，仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如鈣鈦礦薄膜結(jié)晶質(zhì)量不均、深能級缺陷密集，以及無機電荷傳輸層沉積時易對鈣鈦礦層造成損傷、難以實現(xiàn)全溶液法制備等問題，制約著鈣鈦礦光伏技術(shù)的進一步發(fā)展。
 

　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所楊松旺研究員團隊在鈣鈦礦薄膜結(jié)晶調(diào)控、缺陷鈍化與能帶重構(gòu)、無機納米電子傳輸層制備等方面取得系列新進展。
 

　　進展一：2D模板時空演化實現(xiàn)鈣鈦礦薄膜同步結(jié)晶與高效電荷提取
 

　　兩步法是制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的重要途徑之一，它將碘化鉛沉積與后續(xù)的相轉(zhuǎn)化反應(yīng)分步進行，便于過程調(diào)控。但碘化鉛與陽離子鹽的復(fù)雜反應(yīng)過程仍帶來挑戰(zhàn)，需精細調(diào)控成核與生長過程。兩步法制備鈣鈦礦薄膜過程中，存在頂部溶劑揮發(fā)與底部熱傳導(dǎo)引發(fā)的不同界面間的結(jié)晶速率失配問題，往往導(dǎo)致垂直方向上的形態(tài)差異和結(jié)構(gòu)不均；且晶界處的大量缺陷會嚴重加劇載流子復(fù)合，影響器件高效穩(wěn)定運行。
 

　　團隊通過準原位變溫?zé)晒?TDPL)光譜首次揭示了兩步法制備鈣鈦礦薄膜過程中，薄膜上表面與埋底界面之間存在結(jié)晶速率不匹配的問題。針對這一難題，團隊提出了一種時空演化的二維(2D)模板輔助結(jié)晶策略：將間氟苯乙基碘化銨(m-F-PEAI)引入到碘化鉛前驅(qū)體溶液中，使其原位形成(m-F-PEA)2PbI4二維鈣鈦礦并作為結(jié)晶模板，輔助三維鈣鈦礦生長。該模板與目標三維α-FAPbI3鈣鈦礦共享相似的Pb-I八面體網(wǎng)絡(luò)，能夠引導(dǎo)α-FAPbI3(100)取向柱狀晶粒的生長，進而實現(xiàn)了薄膜在整個厚度方向上結(jié)晶速率的同步。
 

　　二維鈣鈦礦模板展現(xiàn)出獨特的時空雙重作用：在時間維度，它在成核初期引導(dǎo)(100)擇優(yōu)取向的柱狀晶粒整體生長，并最終留存在鈣鈦礦薄膜中。在空間層面，二維鈣鈦礦伴隨薄膜生長過程并最終分布于鈣鈦礦晶界和薄膜表面，改變了局部表面電勢，構(gòu)建了有利于空穴提取的2D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而有效抑制了缺陷輔助的非輻射復(fù)合過程。結(jié)果表明，2D模板輔助器件的光伏性能得到顯著提升，結(jié)合減反膜實現(xiàn)了26.03%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，未封裝器件的儲存穩(wěn)定性以及MPPT條件下的運行穩(wěn)定性均得到了明顯改善。
 

　　相關(guān)研究成果以“Spatio-Temporal Evolution of 2D Templates Enables Synchronized Crystallization and Efficient Charge Extraction in Perovskite Solar Cells”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.78011)。
 

　　進展二：LiH2PO4添加劑協(xié)同缺陷鈍化與能帶重構(gòu)實現(xiàn)高效反式鈣鈦礦太陽能電池
 

　　反式鈣鈦礦太陽能電池因其遲滯小、運行穩(wěn)定性好、與疊層器件兼容性優(yōu)異而受到廣泛關(guān)注，但溶液法制備的多晶鈣鈦礦薄膜在晶界和表面存在大量缺陷，易作為非輻射復(fù)合中心并加速離子遷移，嚴重限制了開路電壓和填充因子的提升。
 

　　針對這一問題，團隊引入了一種簡單、低成本的無機鹽——磷酸二氫鋰(LiH2PO4，LiDP)作為多功能前驅(qū)體添加劑。結(jié)合X射線光電子能譜和紫外光電子能譜分析，團隊揭示了LiDP的雙重作用機制：一方面，H2PO4-中高電負性的氧原子與未配位的Pb2+缺陷配位，形成Pb-O-P鍵，實現(xiàn)了深能級缺陷的鈍化，并促進晶粒沿(100)取向生長；另一方面，添加劑誘導(dǎo)的表面能帶位移(功函數(shù)由4.00 eV提升至4.57 eV)和界面偶極層構(gòu)建顯著降低了界面處的電荷提取勢壘。該工作不僅顯著改善了反式器件的開路電壓、填充因子及穩(wěn)定性，更為深入理解無機多原子鹽添加劑誘導(dǎo)的能帶重構(gòu)與雙重鈍化機制提供了清晰的物理圖像。
 

　　相關(guān)研究成果以“Synergistic Defect Passivation and Energy Band Reconstruction via LiH2PO4 Additive for Efficient Inverted Perovskite Solar Cells”為題發(fā)表在期刊Nanotechnology上(DOI: 10.1088/1361-6528/ae607f)。
 

　　進展三：SnO2納米晶墨水配體工程實現(xiàn)低成本反式柔性鈣鈦礦太陽能電池
 

　　柔性鈣鈦礦太陽能電池憑借重量輕、可彎曲、可卷對卷加工等優(yōu)勢備受關(guān)注，其全溶液法制備要求各功能層均以墨水形式沉積。在反式結(jié)構(gòu)中，電子傳輸層直接沉積于鈣鈦礦薄膜之上。雖然傳統(tǒng)的SnO2納米晶墨水依賴水、醇等極性溶劑，會對下層鈣鈦礦薄膜造成不可逆的損傷，難以直接應(yīng)用在反式鈣鈦礦太陽能電池中。但與此同時，反式鈣鈦礦太陽能電池常用的富勒烯及其衍生物材料，不但價格高昂，而且所制備電池的長期穩(wěn)定性也面臨挑戰(zhàn)，這使得開發(fā)可兼容鈣鈦礦薄膜的SnO2納米晶墨水顯得尤為迫切。
 

　　針對這些問題，團隊開發(fā)了一種基于油酸配體修飾的非極性SnO2納米晶墨水，通過將納米晶表面的親水基團替換為長鏈油酸配體，使SnO2納米晶能夠穩(wěn)定分散于正己烷等非極性溶劑中，從而避免了極性溶劑對鈣鈦礦薄膜的損傷，實現(xiàn)了致密、無針孔的高質(zhì)量SnO2薄膜在鈣鈦礦層上的沉積。油酸配體既保證了溶劑正交性，又通過鏈間范德華相互作用，實現(xiàn)了更充分的表面羥基置換，同時有效鈍化了界面缺陷。
 

　　基于該策略制備的反式柔性鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了22.19%的光電轉(zhuǎn)換效率，這是目前采用溶液法SnO2納米晶電子傳輸層的反式柔性鈣鈦礦太陽能電池中報道的最高效率。同時，器件展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性與彎曲循環(huán)穩(wěn)定性(在 10 mm 彎曲半徑下彎曲循環(huán)1000 次后仍保持 71.41% 的初始效率)。該工作證明了納米晶配體工程可在不損傷下層鈣鈦礦薄膜的前提下實現(xiàn)低成本無機電子傳輸層的溶液法制備，為基于無機電子傳輸層的全溶液法反式柔性鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展提供了可行路徑。
 

　　相關(guān)研究成果以“Ligand Engineering of SnO2 Nanocrystal Ink for Low-Cost Inverted Flexible Perovskite Solar Cells”為題，發(fā)表在ACS Applied Nano Materials上(DOI: 10.1021/acsanm.6c01424)。
 

　　上述論文第一作者分別為上海硅酸鹽所博士研究生李垂羽、碩士研究生洪祥和碩士研究生解鑫倩，論文通訊作者為楊松旺研究員。相關(guān)研究工作得到了上海市科委關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)計劃“新能源”項目(25DZ3001903)和載人航天工程科學(xué)研究與應(yīng)用系統(tǒng)項目(KJZ-YY-WCL0502)的資助和支持。
 

　　引用：上海硅酸鹽所在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進展 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所 【引用時間：2026年9月7日】