鈣鈦礦薄膜修復(fù)術(shù)成功研發(fā) 大面積高效率太陽能電池成為可能

在光-電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦材料具有巨大的應(yīng)用前景。在短短4年內(nèi)，鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率從9%提升到目前超過20%，已接近多晶硅的水平。

中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所長(zhǎng)時(shí)間專注于鈣鈦礦新材料和大規(guī)模制備工藝的開發(fā)。其能源應(yīng)用技術(shù)分所的研究團(tuán)隊(duì)已率先利用甲脒離子代替甲胺離子開發(fā)出具有更優(yōu)禁帶寬度和高溫穩(wěn)定性的新型鈣鈦礦材料(FAPbI3)(Chem. Mater. DOI: 10.1021/cm404006p)。在溶液法成膜工藝上，探討了前驅(qū)體反應(yīng)的調(diào)控對(duì)提高鈣鈦礦薄膜均勻性的制約作用(Phys. Chem. Chem. Phys. DOI: 10.1039/C4CP02113D;Chem. Mater. DOI: 10.1021/cm5037869)。在此基礎(chǔ)上，逄淑平帶領(lǐng)研究組與美國(guó)布朗大學(xué)、廈門惟華光能公司合作開發(fā)出一種全新的氣體后修復(fù)技術(shù)，以解決鈣鈦礦大規(guī)模成膜均勻性問題，相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際化學(xué)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Edit.)，題目為Methylamine-Gas Induced Defect-Healing Behavior of CH3NH3PbI3 Thin Films for Perovskite Solar Cells，論文得到審稿人的高度評(píng)價(jià)，被期刊編輯部選為VIP (Very Important Paper) 文章。

高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的大面積制備是鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的瓶頸。目前常用的溶液旋涂法是只適應(yīng)于制備小面積的鈣鈦礦薄膜。由于鈣鈦礦材料自身易于結(jié)晶和溶劑相對(duì)較慢揮發(fā)的特性，在基于噴霧、涂布等工業(yè)技術(shù)制備的鈣鈦礦薄膜通常存在較多的缺陷結(jié)構(gòu)，且均一性較差。這類缺陷會(huì)引起空間電場(chǎng)的不均勻分布，從而提高了光生載流子的復(fù)合幾率，影響了器件的輸出性能。

逄淑平研究發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦材料可以跟甲胺氣體直接反應(yīng)生成一種可以流動(dòng)的液體，其良好的流動(dòng)特性使其可以有效修復(fù)材料中的缺陷結(jié)構(gòu)，修復(fù)后可以通過改變外部環(huán)境使氣體自發(fā)脫離鈣鈦礦材料。整個(gè)過程類似于一個(gè)簡(jiǎn)單的呼吸過程，僅需要幾秒鐘的時(shí)間就可以完成鈣鈦礦薄膜中晶體結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。且結(jié)構(gòu)重構(gòu)后的晶格取向性得到明顯提高，這將更有利于載流子在鈣鈦礦薄膜內(nèi)部的分離和傳輸。

此種氣體修復(fù)工藝在狹縫涂布工藝制備的大面積鈣鈦礦薄膜上同樣展現(xiàn)出超強(qiáng)的修復(fù)能力，合作伙伴廈門惟華光能公司證明該氣體修復(fù)過程不受尺寸、基底材料等因素的限制，可以大規(guī)模制備高均勻性鈣鈦礦薄膜，該工藝使得開發(fā)大面積高效率鈣鈦礦太陽能電池成為可能。青島能源所在此基礎(chǔ)上已申請(qǐng)專利保護(hù)核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

該研究得到中國(guó)科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì)、國(guó)家自然科學(xué)基金委、山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、青島市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目以及青島儲(chǔ)能技術(shù)研究院的資助。