钙钛矿电池光电转换效率达261

记者2日从中国科学院合肥物质科学研究院获悉,该院固体物理研究所潘旭研究员和田兴友研究员团队与国内外科研工作者合作,首次发现钙钛矿阳离子面外分布不均匀是影响电池性能的主要原因,并通过设计添加剂均匀化钙钛矿薄膜相分布,获得了26.1%的光电转换效率(PCE)。11月2日,相关成果在线发表于《自然》杂志。 

近年来,钙钛矿电池效率的提升速度明显放缓,相关研究遇到了“瓶颈”。深入研究阳离子面外方向分布,不但有助于理解钙钛矿体相载流子动力学过程,更有望推动钙钛矿太阳电池效率的进一步提升。但是钙钛矿体相的不同阳离子组分分布以及影响电池稳定性和效率损失的原因目前尚不清楚。

研究团队对钙钛矿薄膜晶相分布进行了深度剖析,通过掠入射X射线衍射与薄膜截面的透射电镜分析,证明了在薄膜底部存在面间距较小的晶相,并且在薄膜底部显示出与富Cs钙钛矿相关的特征信号。这些实验充分说明,阳离子面外方向的梯度不均匀分布。这也是首次可视化验证了钙钛矿薄膜的阳离子组分在面外不均匀分布。

研究团队进一步分析了这种梯度不均匀分布的原因,发现不同阳离子在结晶及相转变过程中的速率差过大是导致组分不均匀的主要原因。进而,团队设计制备出均匀化的钙钛矿薄膜。这种阳离子组分均匀分布的钙钛矿薄膜极大程度上提升了载流子寿命及扩散长度,加强了载流子界面抽取。利用上述策略制备的反式钙钛矿太阳电池获得了26.1%的最高效率,认证效率为25.8%。此外,经2500小时最大功率电追踪后仍保持了可靠运行稳定性。

该研究成果在获得优异电池性能的同时,开辟了提升电池器件稳定性的新途径,有望打破钙钛矿太阳电池的效率瓶颈,为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了明确的方向。