今年第五篇！Science刊发北理工钙钛矿太阳能电池研究新成果！

DT半导体材料 2022-11-22 19:47

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光伏发电新能源技术对于实现碳中和目标有重要意义。近年来，基于有机-无机杂化钙钛矿的光电太阳能电池器件取得了飞速的发展，目前报道的最高光电转化效率已接近26%，而器件稳定性是其产业化成败的关键。

11月18日，北京理工大学陈棋教授团队在Science上发表文章“Initializing Film Homogeneity to Retard Phase Segregation for Stable Perovskite Solar Cells”，揭示了钙钛矿薄膜材料初始均一性对薄膜及器件的稳定性影响，并在此基础上制备了高效稳定性的钙钛矿太阳能电池。该论文发展了谢林模型，在原子尺度的离子移动与微纳米级别的相分离之间建立了桥梁。联系了材料起始均一性与器件稳定性，为提高钙钛矿材料与光伏器件的稳定性提供了新的思路，也为制备高效稳定的钙钛矿光电子器件提供了理论基础。

本工作的合作单位包括北京大学、中国科学院自动化研究所、中国科学院高能物理研究所、中国科学院物理研究所、北京航空航天大学、中国科学院半导体研究所，以及北京曜能科技有限公司。

图文分析

混合组分钙钛矿在材料半导体性能调控，和提升器件效率及稳定性方面优势突出。然而，由于多组分的引入，材料生长过程中会出现多相竞争问题，导致薄膜初始组分分布不均一。

该研究团队，通过研究混合阳离子钙钛矿薄膜不均一性，发现，薄膜在纳米尺度的不均一位点会在外界刺激下快速发展，导致更为严重的组分分布差异化，而形成热力学稳定的物相分离，并贯穿整个钙钛矿薄膜，造成材料退化和器件失活。

另外，基于经济学和物理学中研究群体行为的谢林模型，该研究团队发展了可用于模拟钙钛矿中离子迁移聚集行为的数学模型，结合密度泛函理论的预测和实验观察数据，对薄膜相分离行为进行了半定量的分析。

然后，通过在钙钛矿前驱体溶液中引入弱配位的添加剂硒酚，有效调控了溶液胶体环境，提升了薄膜均一性。并证明薄膜在热、光老化条件下，也具有较好的稳定性，在实验周期内未出现显著的物相分离。经过器件优化，该太阳能电池器件在1 cm²器件上，获得了23.7%的认证效率。在不同温度条件下，器件在LED光源持续照射下，也表现了良好的工作稳定性。

此外，关于均一性起始状态的相关结论能够进一步拓展到混合阴离子体系中。