26.1%光电转换效率的钙钛矿电池诞生

近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所(以下简称固体所)、中国科学院光伏与节能材料重点实验室研究员潘旭、田兴友团队与韩国成均馆大学教授Nam-Gyu Park、华北电力大学教授戴松元合作，首次发现阳离子分布不均匀是影响钙钛矿太阳能电池性能的主要原因，并成功制备出“均匀化”的钙钛矿太阳能电池，获得26.1%的光电转换效率，认证效率为25.8%。相关研究成果日前在线发表于《自然》。 

“该研究为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳能电池性能提供了明确的方向，对推动其走向商业化发展具有重要意义。”论文共同通讯作者潘旭告诉《中国科学报》。

《自然》的一位审稿专家评价该成果称，“这项工作为钙钛矿领域有效抑制离子相偏析提供了宝贵的见解，将有助于推动钙钛矿太阳能电池的商业化”。

此次工作中，潘旭等人首次发现，钙钛矿薄膜内的阳离子在垂直方向上分布不均匀，于是提出“均匀化”阳离子相分布策略，并制备出高效钙钛矿太阳能电池，获得26.1%的光电转换效率，连续光照稳定性测试达到2500个小时。

基于多年来对高性能钙钛矿太阳能电池及钙钛矿薄膜性质的研究，潘旭等人对此展开攻关。

他们先深度剖析X射线光电子能谱，从微观角度清晰观察到钙钛矿薄膜内部元素分布情况，再通过高分辨率电镜，直接“看到”了晶体晶面间距的不同，这表明不同大小的阳离子存在于不同位置，即阳离子不均匀性。尺寸大的阳离子在薄膜上界面富集，尺寸小的阳离子在薄膜底部富集。

“钙钛矿薄膜内部的电子传输通道好比一条马路，这些大小不一的阳离子就是障碍物，使电子前进受到阻碍，电池效率自然无法提升。”论文共同通讯作者、固体所叶加久博士介绍。

那么，为何会发生这种现象?为回答这一问题，团队与上海同步辐射光源发展出一种新的测试方法，即原位掠入射广角X射线衍射，全过程监测钙钛矿薄膜内部晶体生长情况。

研究发现，不同大小的阳离子在形成晶体的过程中，结晶速率差异非常大，大尺寸阳离子结晶速度慢，小尺寸阳离子结晶速度快，致使钙钛矿薄膜分布不均匀。

最终，他们设计出一种添加剂，让不同阳离子在结晶速率上同步，并均匀排列，促进电荷的传输。

潘旭说：“这一结果表明，通过均匀化钙钛矿阳离子垂直方向的分布，可以获得优异的电池性能，开辟了提升电池器件稳定性的新途径，有望突破钙钛矿太阳能电池的效率瓶颈。”