自2009年以來，有機無機雜化鈣鈦礦材料在能源、光伏、化學、材料物理等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，其具有的帶隙連續(xù)可調(diào)、光吸收系數(shù)高、載流子擴散距離長、制備方法簡單等優(yōu)異特性，使它成為發(fā)展下一代光伏器件的理想光吸收材料。僅僅歷經(jīng)不到10年的發(fā)展，鈣鈦礦薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率記錄就已經(jīng)迅速增至23.3%，發(fā)展速度為各類太陽能電池之最。在化學組成上，有機無機雜化鈣鈦礦材料具有ABX3型的晶體結(jié)構(gòu)。其中A位甲脒離子含量高于95%，同時X位溴離子含量低于5%的FAPbI3基鈣鈦礦材料，其帶隙低于1.55eV，在已經(jīng)發(fā)展的各種鈣鈦礦材料成分配比中最接近于單節(jié)太陽能電池的理想帶隙。目前，兩步法制備的太陽能電池器件長時間工作穩(wěn)定性要普遍低于一步法，這是由于傳統(tǒng)兩步法制備難以獲得含有堿金屬離子的鈣鈦礦薄膜。

由俞大鵬院士領(lǐng)導的北京大學物理學院納米結(jié)構(gòu)與低維物理研究團隊在這一問題上取得系列進展。該團隊趙清教授與合作者以傳統(tǒng)兩步法為基礎(chǔ)，設(shè)計提出了鈣鈦礦籽晶誘導生長的兩步旋涂法，通過在碘化鉛薄膜中引入含銫鈣鈦礦籽晶，使籽晶提供后續(xù)鈣鈦礦生長的成核位點，引導高質(zhì)量薄膜生長，解決兩步法中無機陽離子的有效摻雜問題。通過籽晶誘導，可實現(xiàn)對成核和晶粒大小的精確調(diào)控，有效摻入無機Cs離子，器件的能量轉(zhuǎn)化效率提升至21.7%。同時，器件在AM1.5G太陽光下持續(xù)工作140小時后，仍然保持超過60%的初始效率，遠優(yōu)于傳統(tǒng)兩步法數(shù)小時的穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以Perovskiteseedinggrowthofformamidinium-lead-iodide-basedperovskitesforefficientandstablesolarcells為題發(fā)表于NatureCommunications【NatureCommunications9,1607(2018).DOI:10.1038/s41467-018-04029-7】。北京大學博士生趙怡程、加拿大多倫多大學博士后譚海仁和比利時魯汶大學博士后袁海峰為該研究論文的共同第一作者。多倫多大學的EdwardH.Sargent教授和趙清為共同通訊作者。

A籽晶法制備鈣鈦礦薄膜過程示意圖；b光致發(fā)光顯微原位探測籽晶法中鈣鈦礦實時生長過程

趙清課題組還設(shè)計了氯化銫增強碘化鉛前驅(qū)液兩步法，在進一步提高鈣鈦礦薄膜中堿金屬離子含量的同時，減緩鈣鈦礦的成核、生長過程，獲得了具有更大晶粒、更低缺陷態(tài)密度的鈣鈦礦多晶薄膜。基于此制備得到的平面正式鈣鈦礦薄膜太陽能電池器件具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率（22.1%），器件的長時間工作穩(wěn)定性也得到了提高，在AM1.5G太陽光下工作70小時后，依然能夠保持90%的初始效率。該研究在兩步法制備鈣鈦礦薄膜與太陽能電池器件方面，為堿金屬離子的均勻高效摻入、器件性能的提高等問題提供了新的思路。相關(guān)研究成果以EfficientPerovskiteSolarCellsFabricatedThroughCsCl-EnhancedPbI2PrecursorviaSequentialDeposition為題，發(fā)表于國際著名期刊AdvancedMaterials【AdvancedMaterials1803095(2018).DOI:10.1002/adma.201803095】。北京大學博士生李琪為該研究論文的第一作者，趙清為通訊作者。以上研究得到了國家自然科學基金委、北京大學人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、2011計劃量子物質(zhì)科學協(xié)同創(chuàng)新中心等的資金支持。