近日，《Nature》报道了在钙钛矿太阳能电池研究方面取得的最新进展：《Coherent growth of high-Miller-index facets enhances perovskite solar cells》。围绕反式钙钛矿太阳能电池面临“光子利用与电学损失”难以协同调控的关键技术挑战，该工作成功解密环境温度在钙钛矿半导体工艺中的重要作用，并基于此开发了能够实现钙钛矿微米级厚膜“光子利用与电学损失”协同调控的创新工艺技术，从而研制出高效稳定的反式钙钛矿太阳能电池。

金属卤化物钙钛矿（简称钙钛矿）是一类新型半导体光电材料，以其光电性能优异、原料储量丰富、加工简易、能质比高、极端条件（高能粒子辐照和高低温快速转变）稳定性出众等优势，在地面光伏和空间光伏领域均展现出巨大应用潜力。然而，其光电转换效率仍低于其理论极限，同时器件稳定性也有待进一步提升。鉴于此，深度聚焦该类电池器件实际工作条件下的光电转换过程，揭示阻碍器件光电转换效率的主要物理限制因素，继而针对性开发能够大幅提升器件性能的创新技术具有重要现实意义。

该研究基于自主设计的反式钙钛矿太阳能电池器件结构，首先通过光学理论模拟和实验验证相结合明确了窄带隙钙钛矿（带隙约1.54 eV）活性层的最佳厚度范围（图1）。进一步，该研究也明确了钙钛矿微米级厚膜电学损失的主要物理来源—晶体内部和表面缺陷。然而，协同调控钙钛矿微米级厚膜中晶体内部和表面缺陷从而实现器件高效光电转换是一个极具挑战的课题。

鉴于此，该研究首次报道了环境温度变化会导致巨大的薄膜光电性能差异（图1）。具体地，当环境温度低于室温时，制备的钙钛矿微米级厚膜呈现出最优的光电性能和高密勒指数（211）择优取向。密度泛函理论DFT计算发现（图1），高密勒指数的终端具有自发钝化能力，能够显著降低其表面间隙态。同时（211）晶面展现出较低的表面能和化学势依赖关系，还可以降低微米级厚膜中缺陷浓度。

图1.活性层厚度优化以及高密勒指数对光电性能影响规律

图2.高分辨冷冻电微镜解析相干晶界面性质

进一步地，该研究采用冷冻电镜对钙钛矿微米级厚膜进行原子尺度解析（图2）。结果显示低温制备的钙钛矿微米级厚膜其晶界呈现出原子连续排列的相干特性，极大抑制了晶界位置的悬挂键、点缺陷、线位错等。另外，低温制备的钙钛矿微米级厚膜也极大抑制了晶体内部的点缺陷和线位错。最终显著改善了晶体内部和表面的缺陷，实现了微米级厚膜“光子利用与电学损失”的协同调控。

最后，该研究将高质量钙钛矿微米级厚膜作为光吸收层应用到反式器件中，成功把小面积器件效率提升至26.1%，大面积器件和小型模组效率分别高达24.3%和21.4%，并且显著提升了器件在光、热等外界条件下的工作稳定性（图3）。

图3.基于高质量微米级厚膜的反式钙钛矿太阳能电池性能表征

该研究得到新加坡国立大学智能功能材料研究院黄鹏儒博士和KostyaS. Novesolov教授（诺奖得主）在理论计算方面的支持。主要合作者还包括牛津大学Laura M.Herz教授、伦敦帝国理工学院James R.Durrant教授、多伦多大学吕正红院士、常州大学/南京工业大学王建浦教授等。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08159-5

来源：北京航空航天大学