宁波材料所在α-FAPbI3基钙钛矿太阳能电池和大面积组件制备方面取得进展

       钙钛矿由于其长载流子扩散长度、长载流子寿命和宽吸收范围，已经成为低成本和高性能太阳能电池的潜在材料。在众多钙钛矿材料体系中，FAPbI₃ 体系具备较小的光学带隙和较好的热稳定性，更有利于高效稳定钙钛矿太阳能电池（PSCs）的开发和制备。然而研究发现，室温下FAPbI₃ 体系更容易形成黄相δ-FAPbI₃ 而非光活性的黑相α-FAPbI₃ ，这会影响钙钛矿结晶过程，导致PSCs的光伏效率和长期稳定性受限。此外已有研究证实通过一步溶液工艺沉积的钙钛矿薄膜遵循向下生长机制，因此具有较低形成能的中间体δ-FAPbI₃ 最初会在半湿膜的表面上形成，从而干扰α-FAPbI₃ 的可控和定向结晶。

　　为了解决这一问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员和刘畅研究员等人在前期钙钛矿太阳能电池研究的基础上（Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 135, e202217526; Adv. Funct. Mater. 2023, 2214788; Adv. Funct. Mater. 2023, 2210600；Infomat 2022, e12379；Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416），近期在α-FAPbI₃ 基钙钛矿太阳能电池和大面积组件制备方面取得了重要进展。

　　在这项研究中，团队创新性地设计合成了一种新型二维钙钛矿(NAM)₂ PbI₄ ，通过削弱有机中间层和[PbI6]^4- 八面体之间的氢键作用释放八面体畸变。由于二维钙钛矿的（002）晶面与立方α-FAPbI₃ 的（100）晶面之间可以形成高度匹配的异质界面，从而降低晶体形成能并诱导α-FAPbI₃ 的异质成核。这种“外延生长”机制导致α-FAPbI₃ 形成高度优选的（100）晶面取向，有效释放钙钛矿薄膜内的拉伸应力，并减少非辐射复合位点。目标PSCs的光电转换效率达到25.4%（认证25.2%），并表现出较好的环境稳定性和运行稳定性。此外还制备了大面积钙钛矿太阳能电池组件，5cm×5cm基底钙钛矿太阳能电池组件（有效面积为10 cm² ）效率从18.2%显著提高到20.1%，这也证明该策略在高质量钙钛矿薄膜的可扩展沉积中的可行性。

　　该工作以“Epitaxial growth of α-FAPbI₃  at a well-matched heterointerface for efficient perovskite solar cells and solar modules”为题发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.202309208）。该项研究由宁波材料所有机光电材料与器件团队葛子义研究员、刘畅研究员与武汉理工大学鲁建峰研究员合作完成，宁波材料所孟员员博士后和武汉理工大学王玉龙博士为共同第一作者。

　　上述工作得到了国家杰出青年科学基金（21925506）、国家自然科学基金（U21A20331、81903743、22279151、22275004）等项目资助。

图1 (a) 钙钛矿薄膜的结晶机制示意图；(b) 钙钛矿太阳能电池J-V特性曲线；(c) 钙钛矿太阳能电池组件结构示意图；(d) 钙钛矿太阳能电池组件J-V曲线和P-V曲线

　　（新能源所 孟员员）