反式钙钛矿太阳能电池研究进展分析

钙钛矿太阳能电池（PSCs）具有优越的光吸收特性、带隙可调、载流子寿命长、迁移率高、制备工艺简单等特点，在光伏领域具有广阔的应用前景。常见的PSCs结构有正式结构（也称n-i-p型）和反式结构（也称p-i-n型）两种。反式结构（p-i-n）PSCs因其制备方法低温简便、迟滞效应弱到近乎可忽略、界面缺陷态密度较低、稳定性较强、与柔性器件和叠层器件适配性良好等优点，受到研究人员的广泛关注。

一、发展历程

在过去十年里，反式PSCs在效率上不断取得突破。2013年首次报道了反式PSCs，光电转化效率（PCE）为3.9%。2015年，韩国制备出了第一块大面积（＞1平方厘米）的反式PSCs，器件取得了15.0%的认证效率^[1]。2018年，北京大学首次在反式PSCs器件中实现了超过1.21伏特的高开路电压，器件认证效率达20.9%^[2]。2020年阿卜杜拉国王科技大学和多伦多大学制备的反式PSCs器件的认证效率首次超过22%^[3]。2021年，香港城市大学实现了反式平面PSCs器件23.37%的效率（认证效率达到22.75%）^[4]。2022年1月，华东师范大学制备的反式器件获得24.3%的效率（认证效率23.5%）^[5]；4月，香港城市大学和伦敦帝国理工学院合作设计的反式PSCs实现了25%的效率（认证效率为24.3%）^[6]，在长期光照1500小时后仍维持在初始效率的98%，在湿热环境下的稳定性测试通过了IEC61215:2016的国际标准；9月，美国国家可再生能源实验室（NREL）和美国托莱多大学报道了3-APy表面后处理的反式实现超过25%的认证效率^[7]。反式结构PSCs发展到如今，其光电转换效率已经和正式结构器件并驾齐驱，展现出了非凡的工业应用潜力。

二、最新研究进展

反式PSCs的研究目标是实现高效率和长期稳定性。然而由于钙钛矿薄膜存在固有缺陷，位于钙钛矿吸光层中晶界、表面和界面处缺陷都限制了钙钛矿器件的光电性能与稳定性。近年来通过研究材料选择、界面调控及光电性能优化等，反式PSCs的性能不断提高。最新的研究进展集中在空穴传输材料、钙钛矿薄膜制备方法优化和界面工程等方面。

1、空穴传输材料

目前发展出的常用空穴传输层材料包括导电聚合材料、有机小分子材料和无机p型半导体材料。其中自组装单层（SAM）成本低、合成简单、改性相对容易，为制备廉价、可扩展、稳定的反式PSCs提供了机会，具有广阔的应用前景，然而基于SAM的PSCs具有较差的热稳定性。目前基于SAM的PSCs大多数研究都致力于提高其在室温下的工作稳定性，或通过稳定钙钛矿表面和本体来增强器件在热应力下的耐久性。10月19日，香港城市大学研究团队报道了一种（4-（3,11-二甲氧基-7h-二苯并[c,g]咔唑-7-基)丁基）膦酸（MeO-4PADBC）SAM锚定在氧化镍（NiOx）纳米颗粒上组成的耐热空穴传输层，可以改善和稳定NiOx/钙钛矿界面^[8]。由此制备的1.53eV器件实现了25.6%的认证光电转换效率，并在1个太阳光照射、65℃下连续工作1200小时仍保持90%的初始效率。该研究为高效稳定的空穴传输层设计提供了理论指导，并为反式PSCs商业化提供了可能的路径。10月23日，瑞士洛桑联邦理工学院、美国西北大学、加拿大多伦多大学联合研究团队开发了一种共形SAM作为光管理纹理基底上的空穴传输层^[9]。研究人员设计了一种共吸附剂策略，可以分解高阶簇，从而均匀化膦酸分子分布，最大限度地减少界面重组并改善电子结构。反式PSCs的实验室测量光电转换效率为25.3%，经认证的准稳态效率为24.8%，光电流接近Shockley-Queisser最大值的95%。

2、钙钛矿活性层组分及制造方法

钙钛矿薄膜作为光吸收层，对反式PSCs的性能有重要影响。近期研究人员通过在钙钛矿层的制造过程中引入添加剂，提高钙钛矿薄膜的质量，减少缺陷，增强器件的稳定性，取得了新的突破。

11月1日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所、韩国成均馆大学、华北电力大学研究了钙钛矿薄膜沿垂直方向的面外成分不均匀性，设计使用1-（苯基磺酰基）吡咯（PSP）作为添加剂来抑制阳离子偏析并改善晶格排列，均匀化钙钛矿薄膜中的阳离子成分^[10]。经过处理的反式结构PSCs器件获得了26.1%光电转换效率（经认证的稳态效率为25.2%）。经过2500小时的连续跟踪后，未封装的器件仍保留了92%的初始效率。该研究通过均匀化钙钛矿组分面外分布可获得优异电池性能，开辟了提升PSCs器件稳定性的新途径。11月1日，阿卜杜拉国王科技大学报道了一种双功能分子对氨基苯甲酸（PABA）作为添加剂，促进缺陷较少的均匀钙钛矿薄膜的形成。对于有效面积为0.1平方厘米和1平方厘米的器件，具有PABA的PSCs分别实现了23.32%和22.23%的效率^[11]。研究结果展现了使用刮涂法制造钙钛矿光伏器件的重大进步。

3、界面工程

反式PSCs中钙钛矿薄膜和空穴传输层之间的界面会诱导更多界面重组，这可能是反式结构PSCs效率通常低于正式结构PSCs的原因之一。通过界面工程方法调整界面特性，可以克服界面损耗，同时又不破坏体相的特性。

7月3日，华中科技大学利用添加剂成功降低了FA1−xCsxPbI3反式结构中体相和界面处的缺陷，获得了稳定、光电转换效率25.1%的PSCs^[12]。10月19日，武汉大学报道了一种“物理”钝化方法，通过在钙钛矿层和电荷抽取层间的界面处引入固定电荷，可以显著降低界面处载流子的复合和电压损失并大幅提升反式钙钛矿太阳能电池的高温稳定性。优化的器件具有22.5%的效率，并且与控制装置相比，光电压提高了60毫伏。在85℃的1个太阳光照射下，在最大功率点下运行的封装器件经过2000小时运行后几乎没有效率损失^[13]。

双碳情报｜朱丹晨

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