自2009年以來, 有機無機雜化鈣鈦礦材料在能源, 光伏, 化學, 材料物理等領域引起了廣泛關注, 其具有的帶隙連續可調, 光吸收係數高, 載流子擴散距離長, 製備方法簡單等優異特性, 使它成為發展下一代光伏器件的理想光吸收材料. 僅僅曆經不到10年的發展, 鈣鈦礦薄膜太陽能電池的能量轉化效率記錄就已經迅速增至23.3%, 發展速度為各類太陽能電池之最. 在化學組成上, 有機無機雜化鈣鈦礦材料具有ABX3型的晶體結構. 其中A位甲脒離子含量高於95%, 同時X位溴離子含量低於5%的FAPbI3基鈣鈦礦材料, 其帶隙低於1.55 eV, 在已經發展的各種鈣鈦礦材料成分配比中最接近於單節太陽能電池的理想帶隙. 目前, 兩步法製備的太陽能電池器件長時間工作穩定性要普遍低於一步法, 這是由於傳統兩步法製備難以獲得含有堿金屬離子的鈣鈦礦薄膜.
由俞大鵬院士領導的北京大學物理學院 '納米結構與低維物理' 研究團隊在這一問題上取得系列進展. 該團隊趙清教授與合作者以傳統兩步法為基礎, 設計提出了鈣鈦礦籽晶誘導生長的兩步旋塗法, 通過在碘化鉛薄膜中引入含銫鈣鈦礦籽晶, 使籽晶提供後續鈣鈦礦生長的成核位點, 引導高質量薄膜生長, 解決兩步法中無機陽離子的有效摻雜問題. 通過籽晶誘導, 可實現對成核和晶粒大小的精確調控, 有效摻入無機Cs離子, 器件的能量轉化效率提升至21.7%. 同時, 器件在AM1.5G太陽光下持續工作140小時後, 仍然保持超過60%的初始效率, 遠優於傳統兩步法數小時的穩定性. 相關研究成果以 'Perovskite seeding growth of formamidinium-lead-iodide-based perovskites for efficient and stable solar cells' 為題發表於Nature Communications【Nature Communications 9, 1607 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-04029-7】. 北京大學博士生趙怡程, 加拿大多倫多大學博士後譚海仁和比利時魯汶大學博士後袁海峰為該研究論文的共同第一作者. 多倫多大學的Edward H. Sargent教授和趙清為共同通訊作者.
A 籽晶法製備鈣鈦礦薄膜過程示意圖; b光致發光顯微原位探測籽晶法中鈣鈦礦即時生長過程
趙清課題組還設計了氯化銫增強碘化鉛前驅液兩步法, 在進一步提高鈣鈦礦薄膜中堿金屬離子含量的同時, 減緩鈣鈦礦的成核, 生長過程, 獲得了具有更大晶粒, 更低缺陷態密度的鈣鈦礦多晶薄膜. 基於此製備得到的平面正式鈣鈦礦薄膜太陽能電池器件具有更高的能量轉化效率 (22.1%) , 器件的長時間工作穩定性也得到了提高, 在AM1.5G太陽光下工作70小時後, 依然能夠保持90%的初始效率. 該研究在兩步法製備鈣鈦礦薄膜與太陽能電池器件方面, 為堿金屬離子的均勻高效摻入, 器件性能的提高等問題提供了新的思路. 相關研究成果以 'Efficient Perovskite Solar Cells Fabricated Through CsCl-Enhanced PbI2 Precursor via Sequential Deposition' 為題, 發表於國際著名期刊Advanced Materials【Advanced Materials 1803095 (2018). DOI: 10.1002/adma.201803095】. 北京大學博士生李琪為該研究論文的第一作者, 趙清為通訊作者. 以上研究得到了國家自然科學基金委, 北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室, '2011計劃' 量子物質科學協同創新中心等的資金支援.
