與含有甲胺的鈣鈦礦相比，無甲胺的銫甲脒鈣鈦礦具有合適的帶隙和更強的穩(wěn)定性，是理想的光電、光伏材料。然而由于銫甲脒鈣鈦礦結(jié)晶過程和薄膜形貌難以控制等原因，導(dǎo)致銫甲脒體系鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率明顯落后于含有甲胺的鈣鈦礦太陽能電池。針對此問題，課題組通過引入真空熱蒸發(fā)鍍膜制備碘甲脒（FAI）與傳統(tǒng)的溶液制備鹵化鉛前驅(qū)體相結(jié)合（圖1），制備出了光滑且均勻的銫甲脒鈣鈦礦薄膜。
蒸鍍法制備CsxFA1-xPbX3鈣鈦礦流程示意圖
基于不同方法制備的CsxFA1-xPbX3鈣鈦礦薄膜的太陽能電池效率
（黑色為傳統(tǒng)溶液法，藍色為溶液+蒸鍍法，紅色為在原料中加PbCl2的溶液+蒸鍍法）
與傳統(tǒng)溶液法相比，真空熱蒸發(fā)工藝能夠制備出厚度可控且始終均勻的碘甲脒（FAI）薄膜，從而促進后續(xù)的FAI與鹵化鉛之間的化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，形成結(jié)構(gòu)缺陷更少、電學(xué)性能更優(yōu)異的鈣鈦礦薄膜；在此基礎(chǔ)上，通過在鹵化鉛前驅(qū)體中加入合適比例的氯化鉛，還可以增大晶粒尺寸和結(jié)晶性，從而進一步增強銫甲脒鈣鈦礦薄膜質(zhì)量。
通過該方法制備的太陽能電池表現(xiàn)出了優(yōu)異光電性能，在AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光照下取得了最高24.1%（認(rèn)證效率23.9%）的光電轉(zhuǎn)換效率（圖2），這是至今為止報道的無甲胺銫甲脒鈣鈦礦太陽能電池效率的最高記錄。與傳統(tǒng)全溶液法制備的銫甲脒鈣鈦礦太陽能電池相比，該方法制備的器件表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的長期光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和濕度穩(wěn)定性。未封裝的蒸鍍太陽能電池在干燥空氣中放置20000小時之后仍保持了95%的初始光電轉(zhuǎn)換效率。此外，該方法適用于大面積電池制備，通過該方法，課題組在1cm2太陽能電池取得了22.8%的光電轉(zhuǎn)換效率。
這種引入真空熱蒸發(fā)制備銫甲脒鈣鈦礦的工藝對生產(chǎn)環(huán)境的容忍度很高，在~50%相對濕度的夏天仍然能夠制備出性能優(yōu)良的器件，且具有良好的可重復(fù)性，非常適用于工業(yè)化生產(chǎn)。這項工作展示了真空熱蒸發(fā)鍍膜工藝在制備高度均勻鈣鈦礦薄膜方面的優(yōu)越性和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可行性。
上述成果以“效率超過24%的無甲胺CsxFA1-xPbX3鈣鈦礦太陽能電池”（Over 24% efficient MA-free CsxFA1-xPbX3perovskite solar cells）為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《焦耳》（Joule）上。論文共同第一作者為電機系科研助理王思洋、2019級博士生譚理國、2018級博士生周俊杰，通訊作者為易陳誼副教授，合作者包括國家納米科學(xué)中心丁黎明研究員，瑞士蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)沃爾夫?qū)?middot;特雷斯（Wolfgang Tress）博士和瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)邁克爾·格蘭澤爾（Michael Graetzel）教授等。工作得到了國家自然科學(xué)基金、電力系統(tǒng)國家重點實驗室自主科研項目、國家電網(wǎng)國能生物科研項目基金的支持。該課題組依托電力系統(tǒng)國家重點實驗室平臺，長期致力于鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵材料、制備工藝與能源存儲一體化的全鏈條研究開發(fā)工作。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435122001933