北大團(tuán)隊(duì)：高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面研究的未來發(fā)展方向
近日，北京大學(xué)物理學(xué)院“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”朱瑞教授與英國(guó)牛津大學(xué)Henry J. Snaith教授合作，在Science上發(fā)表了題為“Unlocking interfaces in photovoltaics”的展望論文(Perspective)，總結(jié)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的多晶界面特性、能量損失來源及鈍化策略等，并進(jìn)一步分析展望了高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面研究的未來發(fā)展方向。
在過去的十多年中，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)的光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高，使其成為下一代光伏技術(shù)的重要候選者，在光伏建筑一體化、柔性便攜式設(shè)備、太陽(yáng)能汽車與飛行器等場(chǎng)景中有著巨大的應(yīng)用潛力。金屬鹵化物鈣鈦礦光電材料具有較低的形成能，可以在溫和條件下沉積并結(jié)晶獲得高質(zhì)量薄膜。然而，溫和條件下的快速結(jié)晶過程會(huì)在鈣鈦礦薄膜中引入大量缺陷，尤其是在各類界面處，缺陷更加富集，從而限制了這類電池性能的進(jìn)一步提升。
早在2013年，朱瑞等人已開始重點(diǎn)關(guān)注鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的界面問題，并創(chuàng)新開發(fā)了一系列界面優(yōu)化策略及表征方法(圖1)。例如，率先提出“微量鹵化銨輔助生長(zhǎng)”的策略，構(gòu)筑高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，實(shí)現(xiàn)了電池體系中界面的不斷優(yōu)化，持續(xù)推升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(ACS Nano 2014, 8, 10161、Advanced Functional Materials 2016, 26, 3508、Science 2018, 360, 1442);開發(fā)了一系列針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池埋底界面的可視化表征方法及優(yōu)化策略，首次直觀展示了多晶鈣鈦礦薄膜的埋底界面，為領(lǐng)域后續(xù)埋底界面研究?jī)?yōu)化奠定了基礎(chǔ)(Advanced Materials 2021, 33, 2006435);從原子晶格尺度到三維晶界尺度，全面優(yōu)化鈣鈦礦薄膜界面，有效減少晶界缺陷，大幅改善電池穩(wěn)定性(Energy & Environmental Science 2021, 14, 6526、Journal of the American Chemical Society 2022, 144, 1700、Science Advances 2022, 8, eabo3733)。此外，在電池的電極界面緩沖層方面，于鈣鈦礦薄膜上界面創(chuàng)新構(gòu)筑非晶態(tài)稀土金屬氧化物氧化鐿(α-YbOx)薄層(Nature 2024, 625, 516)，突破了基于金屬氧化物緩沖層的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能瓶頸。
圖1. 朱瑞教授等人在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面優(yōu)化策略及表征方法方面的進(jìn)展
團(tuán)隊(duì)基于多年來對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面的深入研究與系統(tǒng)認(rèn)知，以“解鎖光伏電池界面”為主題，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的界面進(jìn)行了總結(jié)探討與前瞻分析(圖2)。從經(jīng)典電池結(jié)構(gòu)切入，重點(diǎn)討論多層薄膜界面能量損失的來源，歸納總結(jié)界面材料、缺陷、能級(jí)等性質(zhì)對(duì)電池性能的影響規(guī)律，回顧經(jīng)典的界面材料匹配與鈍化策略。
相比于其它多晶光伏材料，金屬鹵化物鈣鈦礦通常具有更好的“缺陷容忍”特性。對(duì)缺陷進(jìn)行有效的調(diào)控處理，可進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性。鈣鈦礦薄膜上下表面存在大量未配位懸掛鍵或空位，其與相鄰功能層薄膜(如空穴或電子傳輸層)形成的異質(zhì)結(jié)界面是缺陷聚集、導(dǎo)致?lián)p失的主要區(qū)域之一。例如，鈣鈦礦與電子傳輸層界面處的能級(jí)失配是性能的主要損失來源，在三維鈣鈦礦薄膜表面構(gòu)筑二維鈣鈦礦層被認(rèn)為是一個(gè)有潛力的界面優(yōu)化策略。此外，電子傳輸層與金屬電極之間往往是離子遷移聚集嚴(yán)重的區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致的電極分解等問題將直接破壞鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前，不同界面緩沖層被引入到該界面以抑制離子遷移，更多的策略仍待進(jìn)一步開發(fā);處在鈣鈦礦薄膜底部的埋底界面因其難以被直接觀測(cè)表征而更少被關(guān)注，埋底界面的孔洞、細(xì)碎晶粒、不可控應(yīng)力等情況亦會(huì)嚴(yán)重影響電池性能。通過引入自組裝單分子層(SAM)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦埋底界面的有效調(diào)控，其工作機(jī)理仍需深入探索。
針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面未來的發(fā)展，論文總結(jié)提出了四個(gè)主要優(yōu)化路徑：1)消除/修復(fù)界面缺陷。盡管現(xiàn)在已經(jīng)在一定程度上建立起對(duì)缺陷的了解，但仍需要在更精細(xì)結(jié)構(gòu)的層面上理解缺陷的形成及其對(duì)界面電子態(tài)的影響，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)兼顧考慮新引入的鈍化材料對(duì)界面電子態(tài)的改變。2)設(shè)計(jì)合理的界面能帶結(jié)構(gòu)。二維鈣鈦礦界面層展現(xiàn)出一定的潛力，未來應(yīng)當(dāng)對(duì)其能級(jí)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)在不同界面處的載流子選擇性。3)最小化界面應(yīng)變。針對(duì)界面導(dǎo)致的應(yīng)變，應(yīng)采用多尺度表征來加深對(duì)下界面結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，尤其是對(duì)局部載流子行為過程的了解。4)增強(qiáng)界面機(jī)械穩(wěn)定性。在加深對(duì)界面接觸和應(yīng)變了解的基礎(chǔ)上，需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)接觸增強(qiáng)策略。
圖2. 論文配圖“設(shè)計(jì)最佳電池界面”
總的來說，該展望論文凝練總結(jié)了近年來鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面工作的進(jìn)展，為電池界面優(yōu)化方向提供了指導(dǎo)，也為實(shí)驗(yàn)工作的開展提供了參考，對(duì)進(jìn)一步開發(fā)高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、推動(dòng)新型鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要的意義。
英國(guó)牛津大學(xué)肖云博士、北京大學(xué)博士后(北京大學(xué)物理學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生)楊曉宇博士為該論文的共同第一作者，朱瑞與Henry J. Snaith為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金、英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。
作者： 來源：中國(guó)教育在線 責(zé)任編輯：jianping
在過去的十多年中，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)的光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高，使其成為下一代光伏技術(shù)的重要候選者，在光伏建筑一體化、柔性便攜式設(shè)備、太陽(yáng)能汽車與飛行器等場(chǎng)景中有著巨大的應(yīng)用潛力。金屬鹵化物鈣鈦礦光電材料具有較低的形成能，可以在溫和條件下沉積并結(jié)晶獲得高質(zhì)量薄膜。然而，溫和條件下的快速結(jié)晶過程會(huì)在鈣鈦礦薄膜中引入大量缺陷，尤其是在各類界面處，缺陷更加富集，從而限制了這類電池性能的進(jìn)一步提升。
早在2013年，朱瑞等人已開始重點(diǎn)關(guān)注鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的界面問題，并創(chuàng)新開發(fā)了一系列界面優(yōu)化策略及表征方法(圖1)。例如，率先提出“微量鹵化銨輔助生長(zhǎng)”的策略，構(gòu)筑高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，實(shí)現(xiàn)了電池體系中界面的不斷優(yōu)化，持續(xù)推升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(ACS Nano 2014, 8, 10161、Advanced Functional Materials 2016, 26, 3508、Science 2018, 360, 1442);開發(fā)了一系列針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池埋底界面的可視化表征方法及優(yōu)化策略，首次直觀展示了多晶鈣鈦礦薄膜的埋底界面，為領(lǐng)域后續(xù)埋底界面研究?jī)?yōu)化奠定了基礎(chǔ)(Advanced Materials 2021, 33, 2006435);從原子晶格尺度到三維晶界尺度，全面優(yōu)化鈣鈦礦薄膜界面，有效減少晶界缺陷，大幅改善電池穩(wěn)定性(Energy & Environmental Science 2021, 14, 6526、Journal of the American Chemical Society 2022, 144, 1700、Science Advances 2022, 8, eabo3733)。此外，在電池的電極界面緩沖層方面，于鈣鈦礦薄膜上界面創(chuàng)新構(gòu)筑非晶態(tài)稀土金屬氧化物氧化鐿(α-YbOx)薄層(Nature 2024, 625, 516)，突破了基于金屬氧化物緩沖層的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能瓶頸。
圖1. 朱瑞教授等人在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面優(yōu)化策略及表征方法方面的進(jìn)展
團(tuán)隊(duì)基于多年來對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面的深入研究與系統(tǒng)認(rèn)知，以“解鎖光伏電池界面”為主題，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的界面進(jìn)行了總結(jié)探討與前瞻分析(圖2)。從經(jīng)典電池結(jié)構(gòu)切入，重點(diǎn)討論多層薄膜界面能量損失的來源，歸納總結(jié)界面材料、缺陷、能級(jí)等性質(zhì)對(duì)電池性能的影響規(guī)律，回顧經(jīng)典的界面材料匹配與鈍化策略。
相比于其它多晶光伏材料，金屬鹵化物鈣鈦礦通常具有更好的“缺陷容忍”特性。對(duì)缺陷進(jìn)行有效的調(diào)控處理，可進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性。鈣鈦礦薄膜上下表面存在大量未配位懸掛鍵或空位，其與相鄰功能層薄膜(如空穴或電子傳輸層)形成的異質(zhì)結(jié)界面是缺陷聚集、導(dǎo)致?lián)p失的主要區(qū)域之一。例如，鈣鈦礦與電子傳輸層界面處的能級(jí)失配是性能的主要損失來源，在三維鈣鈦礦薄膜表面構(gòu)筑二維鈣鈦礦層被認(rèn)為是一個(gè)有潛力的界面優(yōu)化策略。此外，電子傳輸層與金屬電極之間往往是離子遷移聚集嚴(yán)重的區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致的電極分解等問題將直接破壞鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前，不同界面緩沖層被引入到該界面以抑制離子遷移，更多的策略仍待進(jìn)一步開發(fā);處在鈣鈦礦薄膜底部的埋底界面因其難以被直接觀測(cè)表征而更少被關(guān)注，埋底界面的孔洞、細(xì)碎晶粒、不可控應(yīng)力等情況亦會(huì)嚴(yán)重影響電池性能。通過引入自組裝單分子層(SAM)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦埋底界面的有效調(diào)控，其工作機(jī)理仍需深入探索。
針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面未來的發(fā)展，論文總結(jié)提出了四個(gè)主要優(yōu)化路徑：1)消除/修復(fù)界面缺陷。盡管現(xiàn)在已經(jīng)在一定程度上建立起對(duì)缺陷的了解，但仍需要在更精細(xì)結(jié)構(gòu)的層面上理解缺陷的形成及其對(duì)界面電子態(tài)的影響，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)兼顧考慮新引入的鈍化材料對(duì)界面電子態(tài)的改變。2)設(shè)計(jì)合理的界面能帶結(jié)構(gòu)。二維鈣鈦礦界面層展現(xiàn)出一定的潛力，未來應(yīng)當(dāng)對(duì)其能級(jí)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)在不同界面處的載流子選擇性。3)最小化界面應(yīng)變。針對(duì)界面導(dǎo)致的應(yīng)變，應(yīng)采用多尺度表征來加深對(duì)下界面結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，尤其是對(duì)局部載流子行為過程的了解。4)增強(qiáng)界面機(jī)械穩(wěn)定性。在加深對(duì)界面接觸和應(yīng)變了解的基礎(chǔ)上，需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)接觸增強(qiáng)策略。
圖2. 論文配圖“設(shè)計(jì)最佳電池界面”
總的來說，該展望論文凝練總結(jié)了近年來鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面工作的進(jìn)展，為電池界面優(yōu)化方向提供了指導(dǎo)，也為實(shí)驗(yàn)工作的開展提供了參考，對(duì)進(jìn)一步開發(fā)高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、推動(dòng)新型鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要的意義。
英國(guó)牛津大學(xué)肖云博士、北京大學(xué)博士后(北京大學(xué)物理學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生)楊曉宇博士為該論文的共同第一作者，朱瑞與Henry J. Snaith為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金、英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。
作者： 來源：中國(guó)教育在線 責(zé)任編輯：jianping
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