科學家制備出效率超過25.6％的穩定鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因優異的光電性能等特點，在新一代光伏發電領域頗有應用前景，已實現26%以上的光電轉換效率。然而，有機-無機雜化鈣鈦礦的結晶過程較為復雜。中間相的參與，如混合溶劑相和δ相，使得制備出均勻和高結晶度的鈣鈦礦膜具有挑戰性，并導致晶格畸變、隨機取向和俘獲中心產生。結晶調控被證明是提高鈣鈦礦薄膜質量和器件性能的有效方法。鈣鈦礦的結晶過程通常從Pb-I骨架開始，在前體溶液中形成納米級成核中心。因此，結晶調控的方法主要在將添加劑材料引入鈣鈦礦前體，以改性Pb-I結構，從而更好地控制后續結晶。除了配位誘導的結晶控制之外，界面和晶界處缺陷的鈍化也是增強PSCs光電性能和穩定性的方法之一。此外，平面外取向的鈣鈦礦光學活性相表現出比隨機取向更強的載流子傳輸傾向。探討鈣鈦礦的結晶過程和調控方法，有望加速實際應用。

中國科學院大學、中國科學院高能物理研究所和清華大學組成的研究團隊，開發了多功能有機分子——乙內酰脲（Hydantoin），用于調節鈣鈦礦薄膜結晶。研究發現，Hydantoin多種官能團對鈣鈦礦前驅體的協同作用，抑制了溶劑中間相及δ相鈣鈦礦的生成，形成了鈣鈦礦光學活性相具有高結晶度且集中out-of-plane取向的鈣鈦礦膜，并抑制了多種缺陷以及載流子非輻射復合。基于Hydantoin輔助結晶制備出光電轉換效率超過25.66%（經認證為25.15%）的鈣鈦礦太陽能電池，具有良好的環境穩定性。在標準測量條件下的最大功率點輸出1600小時，鈣鈦礦太陽能電池仍保持初始效率的96.8%，并表現出優異的離子遷移抑制效果。該研究對鈣鈦礦結晶和空間取向的協同調節，為推動鈣鈦礦太陽能電池的發展提供了新途徑。

相關研究成果以Realizing Stable Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 25.6% Through Crystallization Kinetics and Spatial Orientation Regulation為題，發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃等的支持。