文章連結：http://xlink.rsc.org/?DOI=C8CS01012A
研究背景：
得益於有機無機雜化鈣鈦礦材料優異的光捕獲能力以及電荷傳輸性能，鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率已從起初的3.8%迅速提升至25.2%。迄今為止，傳統高效率的n-i-p結構鈣鈦礦電池普遍需要高溫燒結的無機金屬氧化物半導體作為電子傳輸層，這大大增加了工藝的複雜性從而提高器件製備成本。電子傳輸層還可能會導致鈣鈦礦材料的分解，使器件穩定性大幅度下降。另一方面，傳統的鈣鈦礦電池中空穴傳輸層材料價格昂貴。因此，製備無電荷傳輸層的電池器件是實現低成本製備高性能鈣鈦礦電池的有效策略。鈣鈦礦材料的雙極性載流子傳輸特性能夠保證在沒有電子或空穴傳輸層的情況下也可以製備高效率的鈣鈦礦太陽電池。目前，儘管無電荷傳輸層鈣鈦礦電池器件效率已經超過20%，但依然遠遠落後於傳統有電子和空穴傳輸層器件的效率。這主要歸因於在無電荷傳輸層的情況下，器件內部的光生載流子無法被有效提取，導致嚴重的介面電荷複合，從而抑制效率提升。
本文亮點：
- 介紹了鈣鈦礦太陽電池器件結構類型以及相應工作機理
- 闡述了當前無電荷傳輸層鈣鈦礦電池發展現狀以及主要瓶頸
- 總結了提升無電荷傳輸層鈣鈦礦電池性能的最新策略以及揭示了內在的載流子傳輸，異質結構建以及器件物理等相關機理
- 提出了製備高效簡單結構鈣鈦礦電池的經驗模型和前景展望
內容簡介：
製備無電荷傳輸層的電池器件是實現低成本製備高穩定性的鈣鈦礦電池器件的有效策略，也是該領域相當具有潛力的發展方向。目前，儘管無電荷傳輸層鈣鈦礦電池器件效率已經超過20%，但依然遠遠落後於傳統結構器件的效率。針對上述問題，中山大學團隊聯合澳大利亞昆士蘭大學團隊總結了過去近10年來科研工作者為提升無電荷傳輸層鈣鈦礦電池器件性能的各種研究策略。相關研究成果以「Understanding of carrier dynamics, heterojunction merits and device physics: towards designing efficient carriertransport layer-free perovskite solar cells」為題發表在Chem.Soc. Rev. (2020, 49(2), 354-381)上，並被選為封面論文。該工作旨在闡述對這些簡單卻高效的電池器件內在的載流子傳輸動力學、異質結構建和器件物理的深刻理解，揭示了限制無電荷傳輸層器件效率的決定性因素，從而提出了一些有用的經驗模型。
圖文導讀：1. 無電荷傳輸層鈣鈦礦電池器件結構類型以及相應工作機理。
目前，無電荷傳輸層鈣鈦礦電池結構分為四種，主要是由傳統的兩種三明治鈣鈦礦電池結構(正置結構n-i-p和倒置結構p-i-n)衍生而來，分別是將n-i-p結構中的電子或者空穴傳輸層單獨移除，將p-i-n結構中空穴傳輸層移除，以及將電子空穴傳輸層同時移除。
圖1. (a)無鈣鈦礦電池器件結構類型以及(b-d)相應工作機理。
2. 無電荷傳輸層鈣鈦礦電池發展現狀以及主要瓶頸。
相比於傳統結構，無電荷傳輸層鈣鈦礦電池內部的載流子傳輸複合以及在介面異質結間的電荷提取與複合相關基礎研究甚少。目前限制無電荷傳輸層鈣鈦礦電池發展的主要瓶頸：①鈣鈦礦薄膜在導電基底上覆蓋不均勻，容易導致漏電，導致Jsc，Voc低；②無電荷傳輸層側，導電基底與鈣鈦礦直接接觸，兩者能帶位置不匹配，導致嚴重的介面複合，造成Voc損失；③由於鈣鈦礦消光係數高，電荷主要在受光面的薄層介面中產生，鈣鈦礦傳輸到另一側電極的動力不足，傳輸過程中容易出現電荷複合。④鈣鈦礦薄膜內部以及器件介面有較多缺陷會導致嚴重電荷複合等。
圖2. (a)不同器件結構鈣鈦礦電池效率進展；(b)不同器件結構的無電荷傳輸層鈣鈦礦電池目前取得的最高效率。
3. 優化無電荷傳輸層鈣鈦礦電池性能的新策略以及模型。
為了突破上述限制無電荷傳輸層鈣鈦礦電池器件發展的主要瓶頸，科研工作者提出了許多提升無電荷傳輸層鈣鈦礦電池性能的最新策略，主要如下：①對導電基底進行修飾，增大鈣鈦礦溶液與基底的浸潤性，製備更加平滑緻密的鈣鈦礦薄膜；增大基底與鈣鈦礦的接觸面積，促進電荷提取；優化導電基底與鈣鈦礦之間的能級匹配，增強電荷注入動力，抑制電荷複合。②優化鈣鈦礦成膜動力學過程，增大鈣鈦礦晶粒尺寸減少薄膜孔洞從而減少器件發生短路的可能性；設計研發新型迷宮狀鈣鈦礦薄膜，增大鈣鈦礦與電荷傳輸層接觸面積。③異質結工程：電荷傳輸材料與鈣鈦礦層共混從而構建異質結，分散在鈣鈦礦晶界表面的電荷傳輸材料有利於介面電荷分離與萃取。④通過摻雜或者組分調控對鈣鈦礦材料進行改性實現p-n型轉換和延長載流子有效壽命和擴散長度，有利於鈣鈦礦與基底構建有效p-n結，促進電荷分離與提取。⑤器件結構改造：相比多晶薄膜，單晶薄膜具有缺陷密度低和載流子擴散距離長等優點，但是單晶物理尺寸過厚不利於構建傳統縱向器件，構建橫向器件結構有利於縮短兩個電極之間的距離，減少電荷複合的幾率。⑥基於碳電極的無空穴傳輸層鈣鈦礦電池器件：碳電極相比傳統金電極與鈣鈦礦能級更為匹配，更適合作為空穴提取功能層且更為廉價和穩定性更高。
圖3.製備高性能無電荷傳輸層鈣鈦礦電池的新策略和模型。
4. 無電荷傳輸層鈣鈦礦電池的未來發展方向。
圖4. 適用於製備簡單結構鈣鈦礦電池的導電基底，電荷傳輸材料，鈣鈦礦組分和對電極材料選擇。
作者總結並概括了適用於製備簡單結構鈣鈦礦電池的導電基底，電荷傳輸材料，鈣鈦礦組分和對電極的材料選擇可能性，期望為廣大科研工作者後續設計高效無電荷傳輸層鈣鈦礦電池提供借鑑意義。目前文獻報導的無電荷傳輸層鈣鈦礦電池都是基於鉛基鈣鈦礦的小面積電池器件。因此，作者認為，未來無電荷傳輸層鈣鈦礦電池將會主要朝著無鉛，大面積，柔性和高穩定性方向發展，真正實現低成本大面積製備高效穩定鈣鈦礦太陽電池。
圖5. 無電荷傳輸層鈣鈦礦器件的未來發展方向。
作者簡介：
吳武強 (本文共同第一作者及通訊作者)長期致力於新型半導體納米材料的合成，高性能光電器件設計、性能優化與相關機理研究。團隊已在Chem. Soc. Rev.、Acc Chem. Res.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.和Energy Environ. Sci.等國內外學術期刊上發表SCI收錄論文50多篇，被他人引用近3000次。
王連洲 (本文通訊作者)澳大利亞昆士蘭大學化工學院納米材料中心主任，澳大利亞基金委桂冠教授。主要從事半導體納米材料的合成及其在清潔能源轉化與存儲領域包括光催化制氫和新型太陽能電池等的應用。先後在Nature Energy, Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., AngewChem等國際學術期刊發表論文400餘篇，論文被引用22000餘次。
匡代彬 (本文通訊作者)中山大學化學學院教授，博士生導師，2011年入選教育部新世紀優秀人才支持計劃；2016年獲聘為廣東省「珠江學者」特聘教授；2016年入選廣東省百千萬工程領軍人才。課題組圍繞新能源材料與光電應用開展研究：主要從事無機光電材料的設計、合成與太陽能利用，包括鈣鈦礦太陽電池，光/光電催化分解水和光催化CO2還原等方面的應用基礎研究。團隊已在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater.、Chem和Energy Environ. Sci.等國內外學術期刊上發表SCI收錄論文170多篇，被他人引用11000多次。