【引言】

如今鈣鈦礦電池效率已經達到21.1%，已經超過了商業化的晶硅太陽能電池，但是由于器件存在穩定性差等問題，嚴重阻礙了其商業化的進程。鈣鈦礦電池中的每一層結構對器件性能的影響都非常大。在鈣鈦礦層中，鈣鈦礦晶粒內部的缺陷態極少，因此載流子在鈣鈦礦晶粒內部的復合可以忽略不計。但是，載流子復合與材料降解的卻常發生在鈣鈦礦的晶界和鈣鈦礦薄膜表面上，嚴重制約了器件的穩定性與效率。為了提高器件的效率與穩定性，一般通過新增鈣鈦礦顆粒尺寸來減小晶界數量來提升器件的效率，同時通過表面鈍化的方式來提高器件的環境穩定性。研究發現，在前驅體中加入高分子聚合物材料，可以獲得形態和結晶度較好的鈣鈦礦型薄膜。同時長鏈的聚合物可以形成網狀薄膜使鈣鈦礦與水氧隔絕。然而，這里有兩個重要的問題仍沒有被系統的研究過：1.鈣鈦礦/聚合物表面真的存在顯著的電荷轉移嗎？2.假如有，是否真對器件性能有利？

【成果簡介】

近日，陜西師范大學陜西師范大學劉忠生教授和靳志文博士（共同通訊作者）在AdvancedEnergyMaterials上發表了一篇名為“PolymerDopingforHigh-EfficiencyPerovskiteSolarCellswithImprovedMoistureStability”的文章。在這次研究中，研究者使用了多種聚合物來對鈣鈦礦進行摻雜。研究發現，所有聚合物都能對鈣鈦礦進行有效的鈍化，與聚合物的帶隙無關。使用聚合物摻雜的器件能夠提升10%的效率，從17.43%新增至19.19%，器件的穩定性也得到提升。

【圖文簡介】

圖1：器件結構圖、截面SEM和能帶圖，聚合物的分子式與能帶圖

（a）。鈣鈦礦太陽能電池結構圖；

（b）。鈣鈦礦太陽能電池截面SEM圖；

（c）。鈣鈦礦太陽能電池能帶圖；

（d）。所使用到的聚合物的分子式；

（e）。聚合物的能帶圖。

圖2：摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的結構表征圖

（a-e）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的AFM圖；

（f-j）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的SEM俯視圖；

（k-o）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的SEM側視圖。

圖3：摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的性能表征圖

（a）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的XPS譜；

（b）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的UPS譜；

（c）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的XRD譜；

（d）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的吸收譜；

（e）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的PL譜；

（f）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜電池的J-V曲線。

圖4：摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的性能表征圖

（a）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的XPS譜；

（b）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的UPS譜；

（c）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的XRD譜；

（d）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的吸收譜；

（e）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的PL譜；

（f）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜電池的J-V曲線。

圖5：未摻雜器件與J71摻雜優化后的器件性能比較

（a）。比較器件的正反掃J-V曲線；

（b）。比較器件的EQE曲線；

（c-f）。比較器件各取25個器件的Jsc（c）、Voc（d）、FF（e）和PCE（f）的統計分布。

圖6：未摻聚合物與摻J71聚合物器件比較穩定性測試與其他性能測試

（a）。0.9V偏壓下，比較器件的效率與時間的關系曲線；

（b）。未封裝比較器件的空氣老化時間；

（c）。摻J71與未摻雜的鈣鈦礦薄膜的核磁共振譜；

（d）。暗電流拐點測試，插圖為器件結構；

（e）。兩種薄膜沉積在TiO2/FTO上的時間分辨熒光光譜；

（f）。交流阻抗曲線。

【小結】

研究表明，對鈣鈦礦薄膜進行聚合物摻雜可以有效提高器件的性能。聚合物摻雜使得鈣鈦礦薄膜的陷阱態密度大大降低，鈍化效果得到提升，使太陽能電池效率提高到19.19%，消除了J–V的遲滯現象，并且表現出更加優異的穩定性。