高性能钙钛矿太阳能电池界面研究未来方向

在过去的十多年中,金属卤化物钙钛矿太阳能电池、的光电转换效率不断提高,使其成为下一代光伏技术的重要候选者,在光伏建筑一体化、柔性便携式设备、太阳能汽车与飞行器等场景中有着巨大的应用潜力。金属卤化物钙钛矿光电材料具有较低的形成能,可以在温和条件下沉积并结晶获得高质量薄膜。然而,温和条件下的快速结晶过程会在钙钛矿薄膜中引入大量缺陷,尤其是在各类界面处,缺陷更加富集,从而限制了这类电池性能的进一步提升。

相比于其它多晶光伏材料,金属卤化物钙钛矿通常具有更好的“缺陷容忍”特性。对缺陷进行有效的调控处理,可进一步提升太阳能电池的效率和稳定性。钙钛矿薄膜上下表面存在大量未配位悬挂键或空位,其与相邻功能层薄膜(如空穴或电子传输层)形成的异质结界面是缺陷聚集、导致损失的主要区域之一。例如,钙钛矿与电子传输层界面处的能级失配是性能的主要损失来源,在三维钙钛矿薄膜表面构筑二维钙钛矿层被认为是一个有潜力的界面优化策略。

此外,电子传输层与金属电极之间往往是离子迁移聚集严重的区域,进而导致的电极分解等问题将直接破坏钙钛矿电池结构稳定性。目前,不同界面缓冲层被引入到该界面以抑制离子迁移,更多的策略仍待进一步开发;处在钙钛矿薄膜底部的埋底界面因其难以被直接观测表征而更少被关注,埋底界面的孔洞、细碎晶粒、不可控应力等情况亦会严重影响电池性能。通过引入自组装单分子层(SAM)可实现对钙钛矿埋底界面的有效调控,其工作机理仍需深入探索。

钙钛矿太阳能电池界面未来的发展,有四个主要的优化路径:

1.消除/修复界面缺陷。尽管现在已经在一定程度上建立起对缺陷的了解,但仍需要在更精细结构的层面上理解缺陷的形成及其对界面电子态的影响,同时也应当兼顾考虑新引入的钝化材料对界面电子态的改变。

2.设计合理的界面能带结构。二维钙钛矿界面层展现出一定的潜力,未来应当对其能级进行调控,实现在不同界面处的载流子选择性。

3.最小化界面应变。针对界面导致的应变,应采用多尺度表征来加深对下界面结构的认知,尤其是对局部载流子行为过程的了解。

4.增强界面机械稳定性。在加深对界面接触和应变了解的基础上,需要针对性地设计接触增强策略。

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