▲第一作者：宋益龍博士；通訊作者：董慶鋒教授
通訊單位：吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室
論文DOI：10.1038/s41467-019-13998-2
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製備出了穩定且高效的橫向結構單晶鈣鈦礦太陽能電池，光電轉換效率超過 11.5 %，最大功率持續輸出 200 小時無衰減。製備了較大面積的集成器件，為實現穩定高效的鈣鈦礦太陽能電池提供了一個新的選擇。
背景介紹
A 鈣鈦礦的發展
鈣鈦礦這種結構的材料被發現已經超過 100 多年，而有機無機雜化鈣鈦礦應用在光伏、發光二極體以及探測器等方面只是近十多年才發展起來，並且發展異常快速。尤其在太陽能電池方面，其效率正逼近傳統矽太陽能電池效率，要知道矽電池已經發展超過 70 年，所以鈣鈦礦這種材料是 21 世紀發展最快的材料之一。
B 鈣鈦礦單晶與多晶
在光伏器件中應用最多的鈣鈦礦材料主要是有機或無機-鉛-鹵素組分，這種材料分為單晶與多晶，其中單晶在多項關鍵光電性質上要優於多晶材料，以下都以甲氨基鉛碘（MAPbI3）材料為例，單晶相比多晶具有更長的載流子擴散距離（＞175 μm），更低的陷阱密度以及拓寬的吸收光譜。鈣鈦礦單晶則具有結晶度高無晶界等有點，可大幅提高熱分解溫度（240 ℃，多晶 150 ℃），同時單晶具有更長時間的空氣儲存穩定性，在室溫以及中等濕度下，可在空氣中穩定存在數年。
研究的出發點
目前更多的高效率光伏器件是基於多晶薄膜製備，而發展單晶光伏器件也是一個重要方向，因為單晶如上各方面性能優於多晶。目前單晶器件大部分是基於三明治結構，也獲得了喜人的效率，但至今關於單晶器件穩定性方面的報導還未出現。由於單晶與 ITO 玻璃基底存在較大的熱膨脹係數差異，在器件工作時介面處穩定性會大大降低。基於此，我們採用了橫向結構來製備太陽能單晶器件，這種結構是傳統矽電池中的一種重要結構，這種結構在鈣鈦礦材料里尤其是在單晶中少有報導。以往工作中主要使用電極化（Adv. Mater. 28, 2816–2821 (2016)）以及陰極介面修飾（Adv. Funct. Mater. 29, 1807707 (2019)）來製備單晶橫向器件，這次我們優化了鈣鈦礦單晶表面結構及陽極介面，得到了電池性能的大幅提升。同時我們猜想，單晶本身具有高穩定性，那麼在器件中是否也具有高穩定性呢？
器件的製備
我們通過閱讀文獻得到一條重要信息，就是 MAPbI3 這種材料隨著碘甲胺（MAI）與碘化鉛（PbI2）的含量不同時會產生自摻雜效應，當 MAI 偏多時材料會更偏向 p 型半導體。我們利用這一點在晶體表面簡單旋塗少量 MAI，通過開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測試，我們發現晶體表面電勢提高了約 80 meV，這與金的能級更加接近。我們製備了橫向器件，並通過幾步簡單的方法第一次放大了橫向器件的，得到了大面積橫向器件，這向前邁出了一步。製備的示意圖如下。
▲Fig. 1 Fabrication of lateral structure perovskite solar cells. a Schematic diagram of preparation process of large-area lateral structure perovskite single crystal solar cells. b Image of the MAPbI3 single crystal. c and d Photographs of the lateral-structure SC-PSCs. e Structure of a regular single device with area of 50 μm× 1 mm. The large-area device was integrated by 19 single devices (65 μm× 1.5 mm) with total device area of 1.85mm2.
單晶及器件性能表征
A 單晶表征
我們仔細研究了單晶表面加入這一層 MAI 會發生什麼變化，我們通過常規的測試手段，比如 XRD,SEM,XPS,PL,TRPL 等證明了通過加入這一層 MAI 可以消除單晶表面的缺陷，同時也未破壞單晶表面，這對於器件的性能是很關鍵的。只有更少的缺陷才會讓產生的載流子擴散的更遠而不被陷阱束縛。還有如上所說的表面電勢的改變，減少了電壓的損失。我們又測試了晶體表面導電性的變化，驚喜的發現使用 MAI 處理後晶體不論在暗態還是光態下導電性變得更好，使橫向傳輸更好電壓損失更低。
B 單晶太陽能電池器件性能表征
基於以上單晶表面變得更好，製備的器件也會得到更優秀的性能。我們對器件進行了全面的表征，通過測量不同光強下的器件的 J-V 曲線，使用 MAI 的單晶在高光強下幾乎無額外電流損失，表面有更少的符合。更加驚喜的是器件的光電轉換效率有了大幅提升，在一個太陽光照下達到了 11.52 %，這也是橫向背接觸鈣鈦礦電池目前最高的效率。我們一直很關注器件的穩定性，我們繼續測試了該器件的持續光照最大功率輸出狀態的效率變化，讓我們驚喜的是，該器件在持續工作 200 小時後幾乎無任何衰減，要注意的是，這是基於 MAPbI3 這一材料的，這也是首次驗證了單晶在器件中的高穩定性，也證明了我們以往的推測是正確的。
▲Fig. 2 Device performance of lateral-structure solar cells. a Light intensity (0.0005–1.5 Sun) dependence of JSC curves. b Light intensity (0.0005–1.5 Sun) dependence of VOC curves. J-V curves of different light intensity with (c) and without (d) MAI treatment. e and f Statistical data of device performance before and after MAI treatment (0.25 Sun). g Long-term stability under continuous output at MPP condition (1 Sun).
總結與展望：
本課題組基於 MAPbI3 鈣鈦礦單晶，通過簡單的 MAI 修飾，鈍化了缺陷、提高了橫嚮導電率，製備出了工作穩定且高效的橫向背接觸單晶鈣鈦礦太陽能電池，且實現了器件的大面積製備，為鈣鈦礦單晶太陽能電池的發展提出了一個新的策略。
在鈣鈦礦太陽能電池中橫向結構相比縱向結構在效率以及關注度上都有很大差距，所以橫向結構在鈣鈦礦太陽能電池中的發展還有很大的空間，尤其是鈣鈦礦單晶相比多晶具有很多更加優異的光電性能，所以我認為橫向鈣鈦礦單晶太陽能電池將是一個很重要的研究方向，也希望大家多多關注該方向。
心得與體會
第一作者宋益龍：很多人覺得好的科研工作是去要做的複雜化，但我們覺得好的科研是需要做簡化的，用更簡單的方法去實現更好的要求才是真正立足科研之林的根本。我們的這一工作也一樣，沒有太複雜的東西，但得到了很好的結果。也希望我自己在以後的工作科研中繼續努力。
特別感謝董老師的耐心指導與實驗室並肩工作的朋友們的支持，我們課題組也是成立不久，在前期實驗室建設過程中設備不齊全，大家知識儲備不夠，到現在剛剛開始正常運轉，每個人都付出了很多辛苦，也希望組裡每個人都能有自己滿意的結果。