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近日，北京大學物理學院“極端光學創新研究團隊”朱瑞教授與英國牛津大學Henry J. Snaith教授合作，在Science上發表了題為“Unlocking interfaces in photovoltaics”的展望論文(Perspective)，總結了鈣鈦礦太陽能電池的多晶界面特性、能量損失來源及鈍化策略等，并進一步分析展望了高性能鈣鈦礦太陽能電池界面研究的未來發展方向。 在過去的十多年中，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的光電轉換效率不斷提高，使其成為下一代光伏技術的重要候選者，在光伏建筑一體化、柔性便攜式設備、太陽能汽車與飛行器等場景中有著巨大的應用潛力。金屬鹵化物鈣鈦礦光電材料具有較低的形成能，可以在溫和條件下沉積并結晶獲得高質量薄膜。然而，溫和條件下的快速結晶過程會在鈣鈦礦薄膜中引入大量缺陷，尤其是在各類界面處，缺陷更加富集，從而限制了這類電池性能的進一步提升。 早在2013年，朱瑞等人已開始重點關注鈣鈦礦太陽能電池中的界面問題，并創新開發了一系列界面優化策略及表征方法(圖1)。例如，率先提出“微量鹵化銨輔助生長”的策略，構筑高質量鈣鈦礦薄膜，實現了電池體系中界面的不斷優化，持續推升鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率(ACS Nano 2014, 8, 10161、Advanced Functional Materials 2016, 26, 3508、Science 2018, 360, 1442);開發了一系列針對鈣鈦礦太陽能電池埋底界面的可視化表征方法及優化策略，首次直觀展示了多晶鈣鈦礦薄膜的埋底界面，為領域后續埋底界面研究優化奠定了基礎(Advanced Materials 2021, 33, 2006435);從原子晶格尺度到三維晶界尺度，全面優化鈣鈦礦薄膜界面，有效減少晶界缺陷，大幅改善電池穩定性(Energy & Environmental Science 2021, 14, 6526、Journal of the American Chemical Society 2022, 144, 1700、Science Advances 2022, 8, eabo3733)。此外，在電池的電極界面緩沖層方面，于鈣鈦礦薄膜上界面創新構筑非晶態稀土金屬氧化物氧化鐿(α-YbOx)薄層(Nature 2024, 625, 516)，突破了基于金屬氧化物緩沖層的反式結構鈣鈦礦太陽能電池性能瓶頸。  圖1. 朱瑞教授等人在鈣鈦礦太陽能電池界面優化策略及表征方法方面的進展 團隊基于多年來對鈣鈦礦太陽能電池界面的深入研究與系統認知，以“解鎖光伏電池界面”為主題，對鈣鈦礦太陽能電池的界面進行了總結探討與前瞻分析(圖2)。從經典電池結構切入，重點討論多層薄膜界面能量損失的來源，歸納總結界面材料、缺陷、能級等性質對電池性能的影響規律，回顧經典的界面材料匹配與鈍化策略。 相比于其它多晶光伏材料，金屬鹵化物鈣鈦礦通常具有更好的“缺陷容忍”特性。對缺陷進行有效的調控處理，可進一步提升太陽能電池的效率和穩定性。鈣鈦礦薄膜上下表面存在大量未配位懸掛鍵或空位，其與相鄰功能層薄膜(如空穴或電子傳輸層)形成的異質結界面是缺陷聚集、導致損失的主要區域之一。例如，鈣鈦礦與電子傳輸層界面處的能級失配是性能的主要損失來源，在三維鈣鈦礦薄膜表面構筑二維鈣鈦礦層被認為是一個有潛力的界面優化策略。此外，電子傳輸層與金屬電極之間往往是離子遷移聚集嚴重的區域，進而導致的電極分解等問題將直接破壞鈣鈦礦電池結構穩定性。目前，不同界面緩沖層被引入到該界面以抑制離子遷移，更多的策略仍待進一步開發;處在鈣鈦礦薄膜底部的埋底界面因其難以被直接觀測表征而更少被關注，埋底界面的孔洞、細碎晶粒、不可控應力等情況亦會嚴重影響電池性能。通過引入自組裝單分子層(SAM)可實現對鈣鈦礦埋底界面的有效調控，其工作機理仍需深入探索。 針對鈣鈦礦太陽能電池界面未來的發展，論文總結提出了四個主要優化路徑：1)消除/修復界面缺陷。盡管現在已經在一定程度上建立起對缺陷的了解，但仍需要在更精細結構的層面上理解缺陷的形成及其對界面電子態的影響，同時也應當兼顧考慮新引入的鈍化材料對界面電子態的改變。2)設計合理的界面能帶結構。二維鈣鈦礦界面層展現出一定的潛力，未來應當對其能級進行調控，實現在不同界面處的載流子選擇性。3)最小化界面應變。針對界面導致的應變，應采用多尺度表征來加深對下界面結構的認知，尤其是對局部載流子行為過程的了解。4)增強界面機械穩定性。在加深對界面接觸和應變了解的基礎上，需要針對性地設計接觸增強策略。  圖2. 論文配圖“設計最佳電池界面” 總的來說，該展望論文凝練總結了近年來鈣鈦礦太陽能電池界面工作的進展，為電池界面優化方向提供了指導，也為實驗工作的開展提供了參考，對進一步開發高性能鈣鈦礦太陽能電池、推動新型鈣鈦礦光伏技術產業化應用具有重要的意義。 英國牛津大學肖云博士、北京大學博士后(北京大學物理學院2022屆博士畢業生)楊曉宇博士為該論文的共同第一作者，朱瑞與Henry J. Snaith為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、北京市自然科學基金、英國工程和自然科學研究委員會(EPSRC)、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心等單位的支持。 |
