自2009年以來(lái)，有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料在能源、光伏、化學(xué)、材料物理等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，其具有的帶隙連續(xù)可調(diào)、光吸收系數(shù)高、載流子擴(kuò)散距離長(zhǎng)、制備方法簡(jiǎn)單等優(yōu)異特性，使它成為發(fā)展下一代光伏器件的理想光吸收材料。僅僅歷經(jīng)不到10年的發(fā)展，鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率記錄就已經(jīng)迅速增至23.3%，發(fā)展速度為各類(lèi)太陽(yáng)能電池之最。

 

       在化學(xué)組成上，有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料具有ABX3型的晶體結(jié)構(gòu)。其中A位甲脒離子含量高于95%，同時(shí)X位溴離子含量低于5%的FAPbI3基鈣鈦礦材料，其帶隙低于1.55 eV，在已經(jīng)發(fā)展的各種鈣鈦礦材料成分配比中最接近于單節(jié)太陽(yáng)能電池的理想帶隙。目前，兩步法制備的太陽(yáng)能電池器件長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性要普遍低于一步法，這是由于傳統(tǒng)兩步法制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(lǐng)導(dǎo)的北京大學(xué)物理學(xué)院“納米結(jié)構(gòu)與低維物理”研究團(tuán)隊(duì)在這一問(wèn)題上取得系列進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)趙清教授與合作者以傳統(tǒng)兩步法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)提出了鈣鈦礦籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)的兩步旋涂法，通過(guò)在碘化鉛薄膜中引入含銫鈣鈦礦籽晶，使籽晶提供后續(xù)鈣鈦礦生長(zhǎng)的成核位點(diǎn)，引導(dǎo)高質(zhì)量薄膜生長(zhǎng)，解決兩步法中無(wú)機(jī)陽(yáng)離子的有效摻雜問(wèn)題。

 

      通過(guò)籽晶誘導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)成核和晶粒大小的精確調(diào)控，有效摻入無(wú)機(jī)Cs離子，器件的能量轉(zhuǎn)化效率提升至21.7%。同時(shí)，器件在AM1.5G太陽(yáng)光下持續(xù)工作140小時(shí)后，仍然保持超過(guò)60%的初始效率，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)兩步法數(shù)小時(shí)的穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以“Perovskite seeding growth of formamidinium-lead-iodide-based perovskites for efficient and stable solar cells”為題發(fā)表于Nature Communications【Nature Communications 9, 1607 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-04029-7】。北京大學(xué)博士生趙怡程、加拿大多倫多大學(xué)博士后譚海仁和比利時(shí)魯汶大學(xué)博士后袁海峰為該研究論文的共同第一作者。多倫多大學(xué)的Edward H. Sargent教授和趙清為共同通訊作者。

 

 

A 籽晶法制備鈣鈦礦薄膜過(guò)程示意圖；b光致發(fā)光顯微原位探測(cè)籽晶法中鈣鈦礦實(shí)時(shí)生長(zhǎng)過(guò)程

 

        趙清課題組還設(shè)計(jì)了氯化銫增強(qiáng)碘化鉛前驅(qū)液兩步法，在進(jìn)一步提高鈣鈦礦薄膜中堿金屬離子含量的同時(shí)，減緩鈣鈦礦的成核、生長(zhǎng)過(guò)程，獲得了具有更大晶粒、更低缺陷態(tài)密度的鈣鈦礦多晶薄膜�；�于此制備得到的平面正式鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池器件具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率（22.1%），器件的長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性也得到了提高，在AM1.5G太陽(yáng)光下工作70小時(shí)后，依然能夠保持90%的初始效率。

 

        該研究在兩步法制備鈣鈦礦薄膜與太陽(yáng)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(wèn)題提供了新的思路。相關(guān)研究成果以“Efficient Perovskite Solar Cells Fabricated Through CsCl-Enhanced PbI2 Precursor via Sequential Deposition”為題，發(fā)表于國(guó)際著名期刊Advanced Materials【Advanced Materials 1803095 (2018). DOI: 10.1002/adma.201803095】。北京大學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金委、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“2011計(jì)劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的資金支持。