钙钛矿太阳能电池技术发展解析

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池具有极低制造成本和高功率转换效率的特点，发展前景广阔。 薄膜缺陷长期制约钙钛矿太阳能电池光电转换效率和器件稳定性的发展，因此，必须深化认识钙钛矿薄膜内部缺陷、 表层电子收集界面缺陷和空穴收集界面缺陷，采用针对性钝化策略缓解缺陷影响，保障器件性能。

目前，针对钙钛矿薄膜缺陷的 钝化思路主要是在前驱液中添加钝化剂，调整钙钛矿 结晶速度增强结晶度，以及钝化晶界缺陷降低缺陷浓度和能级陷阶深度。 现有钝化材料主要包括以下几种。

(1) 钙钛矿前驱体

为了钝化钙钛矿的晶界，研究者们提出了非化学计量的方法，即在前驱液中配制过量 PbI.2 或 MAI前驱体实现“自钝化”效应。

(2) 碱金属元素

碱金属元素能有效钝化钙钛矿薄膜缺陷。 Lee 等发现，无添加 Na + 的钙钛矿薄膜裸露面积大，呈针状形 貌;而在 MAI. 和 PbI.2 的前驱体溶液中添加 Na +后，Na +将和 PbI.2 形成中间相，阻碍 PbI.2 结晶和抑制形成针 状钙钛矿相，从而提高钙钛矿结晶均匀性和薄膜平整度。 因此，电池漏电流显著减小，Voc 由 0.87 剧增到 1.05 V;电荷传输能力增强和复合损失也有明显降低，实现 Jsc (17.13 ～19.33mA/cm2 ) 和 FF(68.08% ～ 74.69%)显著提高 。研究表明，K +也能起到提高薄膜平整度类似的效果 。

(3) 有机分子

富勒烯是一类典型的钙钛矿钝化剂材料。 研究表明，PCBM可钝化 Pb-I. 的反位缺陷，形成 PCBM-卤化 物自由基 。 根据密度泛函理论计算结果，当在 Pb-I. 反位缺陷附近引入 PCBM(图 (a))，PCBM与钙钛矿 表面的基态波函数杂化巨 Pb-I. 反位缺陷引起的深陷阶态将变浅(图(b))。 黄劲松课题组通过热退火的方法，促使 PCBM扩散到钙钛矿薄膜的晶界和表面的缺陷处(图 ( c))，缺陷态密度降低了两个数量级(图 (d))，器件性能显著提高，并巨有效消除光电流滞后效应。

(4) 路易斯酸/碱

路易斯酸和路易斯碱分别指的是可接受和给予电子对的物质。 在钙钛矿薄膜上存在欠配位的卤化物阴 离子(路易斯碱)及 Pb 离子(路易斯酸) 。 通过路易斯酸-碱络合物钝化，可降低薄膜缺陷密度，提高电池 效率及稳定性。

(5) 疏水基团材料

鉴于钙钛矿薄膜表面分子具有最高的活性和扩散性，并巨更容易受到水分和氧气的侵蚀，引进疏水性材料也能较好钝化薄膜缺陷。

除了通过替换材料组分或进行化学修饰从本质上提高它的耐湿性外,最常用的方法就是利用封装保护及采用疏水性电极来防止水分对器件的侵蚀。另外,光照是太阳能电池工作时不可避免的条件,工作条件下连续光照产生的热量会加速钙钛矿的分解和诱发离子迁移。离子迁移问题被认为是导致钙钛矿材料和器件性能衰减的主要原因之一。由于甲胺铅碘材料中的有机基团和卤素离子在常温下也会通过缺陷和晶界实现长距离的迁移,因此找出一种有效抑制离子迁移的方法已成为解决钙钛矿材料及器件稳定性问题的关键。

于含铅材料对环境的不友好性,研究者也正在努力实现无铅化,最直接的方法是利用同族的Sn元素代替Pb元素,但相应会带来电池转换效率的降低。目前有学者提出用废弃的铅制作钙钛矿太阳能电池,以此解决废弃铅的处理难题。然而要完全实现无铅化仍然是钙钛矿太阳能电池领域一个充满挑战的事情。

在过去的十年里,关于钙钛矿电池的研究发展迅猛,其光电转化效率已从初始的2.2%迅速飙升至目前的25.2%,接近硅基太阳能电池的水平。钙钛矿太阳能电池有望成为光伏舞台上的重头戏。