11月2日，据中国科学院合肥物质科学研究院官方消息，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所潘旭、田兴友研究员团队中国科学院光伏与节能材料重点实验室与韩国成均大学Nam-Gyu Park教授、华北电力大学戴松元教授合作，成功在光伏与节能材料领域取得新突破跨钙钛矿太阳能电池研究。
研究团队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，并设计了1-(苯磺酰基)吡咯(PSP)作为添加剂，使钙钛矿薄膜相分布均匀化，实现26.1%的光电转换效率（PCE）。
相关成果于11月2日发表在Accelerated Online Publishing（AAP）期刊《自然》（自然）上，论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06784-0
据介绍，钙钛矿太阳能电池是采用钙钛矿型有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。它们是新概念太阳能电池。经过多年的发展，传统的界面钝化和晶化控制方法已经很大程度上淘汰，促进了电池效率的提高。然而，近年来，相关研究中电池效率的提升速度明显放缓，相关研究遇到了“瓶颈”。
研究人员发现，钙钛矿薄膜中常常不可避免地发生相分离。研究团队之前的工作表明，有效管理卤素相分离有助于提高器件性能。高效钙钛矿材料通常通过在纯碘体系中使用阳离子掺杂组分来获得，特别是FA1-xCsxPbI3体系。不同阳离子组分在钙钛矿体相外侧方向的分布对钙钛矿体相有影响。载流子扩散和界面提取至关重要。深入研究阳离子的面外分布不仅有助于理解钙钛矿体相中的载流子动力学过程，而且有望进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率。然而，钙钛矿体相中不同阳离子组分的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。
基于此，研究团队从FA1-xCsxPbI3体系出发，通过元素定量分析，结合飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）研究了甲脒（FA）和铯（Cs）阳离子的纵向分布和X射线光电子能谱。 (XPS)，深入分析发现无机Cs阳离子倾向于沉积在薄膜的底部，而有机FA阳离子则富集在薄膜的上界面。在此基础上，研究团队对钙钛矿薄膜的晶相分布进行了深入分析。通过掠入射X射线衍射（GIXRD）和透射电子显微镜（TEM）对薄膜横截面的分析，证明薄膜底部存在较小的面间距。晶相，并在薄膜底部显示出与富铯钙钛矿相关的特征信号。这些实验充分证明了阳离子面外方向梯度分布的不均匀性。这也是钙钛矿薄膜中阳离子成分在面外分布不均匀的首次视觉验证。
研究团队通过原位实验方法进一步分析了这种梯度分布不均匀的原因，发现不同阳离子在结晶和相变过程中速率差异过大是造成成分不均匀的主要原因。此外，团队还设计了PSP分子来补偿不同阳离子之间结晶和相变速率的差异，并制备了均匀的钙钛矿薄膜。这种阳离子成分分布均匀的钙钛矿薄膜有效抑制了底部富Cs相引起的准I型能级排列，大大提高了载流子寿命和扩散长度，强化了载流子界面。萃取。
研究团队采用PSP策略制备的反式钙钛矿太阳能电池最高效率达到26.1%，认证效率为25.8%。此外，在2500 小时的最大功率电气跟踪(MPPT) 后，未封装的器件仍保持了其初始PCE 92% 的可靠运行稳定性。
这项研究工作表明，通过均匀化钙钛矿组分的面外分布可以获得优异的电池性能，为提高电池器件的稳定性开辟了新途径，有望突破钙钛矿太阳能电池和太阳能电池的效率瓶颈。为进一步提高效率和稳定性提供基础。钙钛矿太阳能电池提供了明确的方向，对于推动PSCs的商业化发展具有重要意义。
中国科学院合肥材料科学研究院固体研究所博士研究生梁正为该论文的第一作者。南方科技大学张勇博士和固体所博士生徐惠芬为共同第一作者。固体所潘旭研究员为该论文第一通讯作者。该所叶家久博士、成均馆大学Nam-Gyu Park教授和华北电力大学戴松元教授为该论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省杰出青年基金、合肥材料科学研究所院长基金的资助。
