人工微结构和介观物理国家重点实验室赵清教授课题组开发了一种大面积埋底界面无损全暴露的方法，揭示了隐藏的埋底界面带来的应力缺陷孔洞等问题，并通过合成新型高透明，高导电和高晶格匹配的电子传输层大幅提升了钙钛矿薄膜起始结晶的有序性，从结晶的根本角度解决了之前由于晶格失配引发的埋底界面的诸多问题，构筑了光伏表现优异的高效率钙钛矿太阳能电池。该成果以“全新晶格匹配的电子传输层构筑良性钙钛矿太阳能电池的埋底界面”(Engineering the buried interface in perovskite solar cells via lattice-matched electron transport layer)为题，于2023年7月6日在线发表于《自然·光子学》(Nature Photonics)。
作为一种清洁能源，太阳能技术的发展有助于降低人类对化石能源的依赖并显著缓解当前紧迫的环境问题，也将助力我国更好地实现碳中和目标。钙钛矿作为一种新型高效廉价的光伏半导体，有着巨大的商业应用价值，但在其走向商业化的前夕，仍然有一些关键科学问题需要解决。钙钛矿薄膜的缺陷主要分布在界面，优化钙钛矿薄膜的界面是提升钙钛矿太阳能电池光伏性能最重要的一步。相比于相对容易实现的薄膜暴露的上界面后处理钝化，关于薄膜埋底界面的研究相对较少，在实验上对这个隐藏界面的研究相当挑战，对该界面的认知缺乏已严重制约了钙钛矿太阳能电池的发展。赵清课题组首先发展了一种普适兼容的剥离方法来暴露出大面积埋底界面（图1），使得原本隐藏的埋底界面可以被进行各类系列可视化研究，揭示出由于与下层电子传输层的晶格不匹配导致的无序起始结晶，本征地恶化了埋底界面，带来应力，缺陷，孔洞增多等一系列不利问题。
图1.无损大面积揭开埋底界面的示意图及相应的实验照片。
为解决由于下层传输层晶格失配引发的埋底界面问题，一种高导电（图2a），高透明（图2b）的氧化物钙钛矿被合成来作为全新的电子传输层，它具有与上面生长的吸光卤化物钙钛矿很高的晶格匹配度（图2c），可以提供更有序的起始结晶，有效解决了由于起始无序结晶带来的诸多问题。在全新电子传输层上生长的钙钛矿薄膜底部的应力被有效地去除（图2e, f），埋底界面的结晶性得到显著提升（图2g）。此外，利用全新电子传输层构筑的埋底界面还显示出更好的晶面排列（图2i-k）和显著更低的缺陷密度（图2l）。
图2.更有序的起始结晶构建良性埋底界面。a，ITO/SnO2或La-SrSnO3/Au结构的器件的电流-电压曲线表明掺杂4%La的SrSnO3具有最高的电导率。b，SnO2和SrSnO3的透光率曲线。c，SnO2与吸光钙钛矿、SrSnO3与吸光钙钛矿的晶格匹配率。d，在暴露的control和target埋底界面上（001）面进行的RSM表征结果。e，不同入射角下target薄膜的GIXRD结果。f，图4e中放大的（001）面。g，在入射角为0.1°的control和target样品埋底界面的GIXRD结果。h，基于暴露的control和target埋底界面的纳米划痕测试。i-k，暴露的control和target埋底界面的GIWAXS结果。l，control和target埋底界面的PL和TRPL结果。
在使用了全新电子传输层构筑的钙钛矿太阳能电池中发现明显的贯穿晶粒（图3b），意味着钙钛矿薄膜大幅改善的结晶质量和类单晶特性。由于晶格匹配的全新电子传输层诱导的有序钙钛矿起始结晶构筑的优异埋底界面，钙钛矿太阳能电池器件展现出高达25.17%光电转化效率（图3c，d），器件在实际工作1000小时后仍能保持初始效率的90%以上。该无钝化剂策略从根本的晶体生长角度有效地降低了埋底界面的缺陷密度，应力，孔洞，离子迁移问题，提升了埋底界面的结晶性和稳定性，从而显著提高了器件光伏性能。这项工作加深了领域内对神秘埋底界面的全面深刻认知，揭示了埋底界面有序结晶对钙钛矿太阳能电池的至关重要作用，发展了全新晶格匹配的电子传输层构筑方法，并为构建本征高效和稳定的钙钛矿太阳能电池提供了全新的思路和指导。
图3.改进的埋底界面大幅提升了钙钛矿太阳能电池光伏性能。a, b，钙钛矿太阳能电池结构示意图和横截面SEM图像，比例尺为1 μm。c，control和target太阳能电池在正向和反向扫描下的J-V曲线。e，control和target太阳能电池的稳态功率输出。f，control和target太阳能电池的PCE的统计分布。g，target柔性PSC的稳态功率输出。h，有效面积为1 cm2的target太阳能电池的J-V曲线。
北京大学物理学院2020级博士生骆超为论文第一作者，本实验室赵清教授为通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、量子物质科学协同创新中心、必和必拓-北京大学未名学者奖学金项目的支持。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01247-4
信息来源：北京大学物理学院网站
