近年來, 有機無機雜化鈣鈦礦材料因其可調的帶隙, 高吸收係數, 雙極載流子傳輸性質, 長載流子擴散長度和低缺陷態密度等卓越的光電特性掀起了光伏能源領域的研究浪潮. 僅僅經曆九年的技術發展, 多晶鈣鈦礦薄膜太陽能電池的器件性能已經可以和有著60年研究曆史的晶矽電池相媲美, 其發展速度遠遠超過曆史上任何一種太陽能電池技術. 從2009年至今, 世界範圍內的研究人員開發了一步旋塗法, 兩步旋塗法, 蒸汽輔助法, 刮塗法等多種薄膜製備工藝和溶劑工程, 成分工程, 界面工程等多項器件優化準則, 在提高鈣鈦礦多晶薄膜質量和器件結構優化設計等宏觀尺度上持續推動著太陽能電池向高轉化效率邁進. 然而目前, 對於鈣鈦礦材料和器件在微觀和介觀尺度的深度研究仍然較少, 材料微結構, 載流子輸運特性與器件性能間構效關係的機理性認識的缺失直接阻礙器件效率的進一步提升, 基於此, 探究材料微結構與光伏性能之間的潛在規律將是提高鈣鈦礦太陽能電池性能的關鍵一步.
北京大學工學院周歡萍團隊利用國家大科學裝置中心上海光源的同步輻射X射線掠入射廣角散射技術 (GIWAXS) , 系統性研究了當前保持最高效率的混郃陽離子體系鈣鈦礦多晶薄膜的晶面擇優取向規律, 以此為基礎, 通過多元陽離子級聯的精細摻雜可控地調節了特定晶面相對於基底堆疊排列的方向, 得到了更加優異的器件性能. 進一步, 團隊從載流子輸運特性層面研究了不同擇優取向關係的多晶薄膜與器件性能之間的內在規律, 發現平行於基底的 (001) 晶面族的強擇優取向將會促進載流子在薄膜內的高速遷移, 提高載流子在鈣鈦礦與傳輸層界面處的傳輸速率和收集效率, 特定的晶面堆疊方式與擇優取向關係提供了更加高效的載流子輸運行為, 因此帶來了電池器件性能的大幅改善. 該研究結果證實了多元陽離子的級聯摻雜對多晶薄膜晶面擇優取向可控的有效調控, 為材料微結構與光伏性能構效關係帶來機理性的理解並為當前電池突破效率瓶頸提供了新的設計思路. 該成果以 'Manipulation of facet orientation in hybrid perovskite polycrystalline films by cation cascade' 為題發表於著名期刊Nature Communications【Nature Communications 9, 2793 (2018) . DOI: 10.1038/s41467-018-05076-w】, 北京大學與上海應用物理研究所聯合培養博士生鄭官豪傑與北京理工大學博士生朱城為該論文的共同第一作者. 北京大學為第一單位.
堿金屬陽離子多元級聯摻雜的取向演變分析: (a)FAMA, FAMA-Cs, FAMA-CsRb, FAMA-CsRbK級聯摻雜多晶薄膜的GIWAXS花樣;(b)FAMA, FAMA-Cs, FAMA-CsRb, FAMA-CsRbK級聯摻雜多晶薄膜(001)晶面的方位角積分強度圖;(c)級聯摻雜多晶薄膜晶面取向位向演變示意圖
該研究系統調研了堿金屬陽離子Cs+, Rb+, K+的多元級聯摻雜對於晶體堆疊取向的影響, 通過精細的摻雜實現可控的取向調控, 揭示了微結構層次的擇優取向極大地影響鈣鈦礦材料的光電特性, 證實了平行於基底的(001)晶面族的強擇優取向將會促進載流子在薄膜內的高速遷移, 提高載流子在鈣鈦礦與傳輸層界面處的傳輸速率和收集效率, 建立了清晰明確的鈣鈦礦多晶微結構, 器件性能與載流子輸運特性三者之間潛在的構效關係, 為當前電池突破效率瓶頸提供了新的設計思路.
該項研究是與北京理工大學陳棋教授, 上海應用物理研究所高興宇研究員, 中國科學院化學研究所胡勁松研究員, 北京理工大學宇航學院洪家旺教授合作完成的. 研究得到國家自然科學基金委, 國家重點研發計劃, 青年千人計劃等經費支援.
