华北电力大学丁勇等：基于暴露(011)晶面的高效稳定FAPbI₃钙钛矿太阳电池和组件

Highly Efficient and Stable FAPbI₃ Perovskite Solar Cells and Modules Based on Exposure of the (011) Facet

Kai Zhang, Bin Ding, Chenyue Wang, Pengju Shi, Xianfu Zhang, Cheng Liu, Yi Yang, Xingyu Gao, Rui Wang*, Li Tao*, Keith G. Brooks, Songyuan Dai, Paul J. Dyson*, Mohammad Khaja Nazeeruddin* & Yong Ding*

Nano-Micro Letters (2023)15: 138

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01103-8

1. (011)晶面具有良好的电荷输运特性，可以实现更接近的能级排列。

2. 通过利用(011)晶面，小尺寸器件(0.06 cm²)和组件(29.0 cm²)分别实现了25.24%和21.12%的功率转换效率。

钙钛矿晶体的晶面极大地影响了其相应的光伏器件的性能和稳定性。与(001)晶面相比，(011)晶面表现出更好的光电性能，包括更高的电导率和增强的载流子迁移率。因此，实现(011)晶面暴露的钙钛矿薄膜是一种很有前途的提高器件性能的方法。然而，由于甲基氯化铵(MACl)添加剂的影响，FAPbI₃中(011)晶面的生长在能量上是不利的。鉴于此，华北电力大学丁勇&瑞士洛桑联邦理工学院Paul J. Dyson & Mohammad Khaja Nazeeruddin&西湖大学王睿&湖北大学桃李团队发表了使用1-丁基-4-甲基氯化吡啶([4MBP]Cl)作为掺杂剂，暴露(011)晶面，制备高效稳定FAPbI₃钙钛矿太阳电池和组件的研究成果。暴露(011)晶面被证明可以显著提高钙钛矿薄膜的电荷传输能力，同时实现更好的能级匹配。此外，[4MBP]Cl通过减少钙钛矿薄膜中的缺陷和增加离子迁移的活化能势垒，极大地提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。基于暴露(011)晶面的小尺寸器件(0.06 cm²)和组件(29.0 cm²)分别实现了25.24%和21.12%的功率转换率。

I 理论计算和模型分析

如图1a所示，将[4MBP]⁺阳离子分别放置在钙钛矿的(001)和(011)表面上，计算吸附能(Eads)。计算结果表明(|Eads, (001)|<| Eads, (011)|)，[4MBP]⁺阳离子更倾向于吸附在(011)晶面。由于[4MBP]⁺阳离子提供的静电相互作用和空间位阻， [4MBP]⁺的选择性吸附会降低(011)晶面的表面能，从而减缓(011)平面的生长。如图1b所示，[4MBP]⁺的选择性吸附会改变钙钛矿核的取向。吸附在(011)晶面上的[4MBP]⁺的相互作用使钙钛矿晶核旋转45°。最终，(011)晶面将沿平面外方向堆叠，直接与电荷输运层接触。

图1. 计算及模型分析。(a)[4MBP]Cl吸附在钙钛矿(001)和(011)表面上的计算模型以及相应的吸附能；(b) [4MBP]Cl改变钙钛矿晶核的方向以暴露(011)晶面的机制示意图。

图2. [4MBP]Cl掺杂的FAPbI₃钙钛矿的结晶动力学和择优取向研究。(a)不含和(b)含4 mol% [4MBP]Cl 的FAPbI₃钙钛矿薄膜的原位同步辐射GIWAXS结果；(c)含不同浓度的[4MBP]Cl(0-4 mol%)的钙钛矿样品的XRD图；(d)不含与(e)含4 mol% [4MBP]Cl的二维GIWAXS图；(f) GIWAXS积分强度图，沿q值近似为10 nm-1绘制，对应不含和含有4 mol% [4MBP]Cl 的钙钛矿薄膜的(001)晶面。

图3. (011)晶面对载流子动力学的影响。(a)不含和(b)含0.5 mol%[4MBP]Cl FAPbI₃钙钛矿薄膜的C-AFM电流映射图像；(c)能级图；沉积在FTO/ETL衬底上的(d)不含和(e)含0.5 mol%[4MBP]Cl钙钛矿薄膜的PL映射图像；(f)在FTO/ETL衬底上沉积的不含和含有0.5 mol% [4MBP]Cl 的钙钛矿薄膜的TRPL光谱。

IV 光伏器件的性能和稳定性

图4. 光伏器件性能和稳定性。(a)不含和含0.5 mol% [4MBP]Cl的组件的PCE分布；(b)不含和含0.5 mol% [4MBP]Cl的组件的J-V曲线；(c)在最大功率点下，不含和含0.5 mol% [4MBP]Cl的器件在连续光照下的运行稳定性；(d)不含和(e)含[4MBP]Cl的MA⁺离子迁移的能量曲线，同时展示了在初始状态、过渡状态和最终状态结构的图片。

张凯

本文第一作者

华北电力大学和洛桑联邦理工学院 联培硕士研究生

▍主要研究领域

研究离子液体调节钙钛矿晶体的成核-生长过程，获得高质量的钙钛矿薄膜，实现高效且高稳定的钙钛矿太阳电池。

丁勇

本文通讯作者

华北电力大学 副教授

▍主要研究领域

(1) 高效钙钛矿太阳电池组件；(2)无机半导体材料。

▍主要研究成果

华北电力大学，新能源学院，副教授，于2016年在中国科学院获得材料物理与化学博士学位。与洛桑联邦理工学院M. K. Nazeerudddin课题组开展合作研究，在高效、高稳定介观钙钛矿组件方面接连取得重大突破，于2022年创造并保持基于钙钛矿组件22.4%的世界记录，被收录于《Solar cell efficiency tables》(Version 61)；主持国家自然科学基金以及海峡两岸合作课题，参与国家重点研发计划1项，申请并授权发明专利6项，以第一/通讯作者身份发表论文80余篇，包括Nature、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Prog. Mater. Sci.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.和Angew. Chem. Int. Ed.等高水平期刊。

▍Email：dingy@ncepu.edu.cn

Paul Joseph Dyson

本文通讯作者

洛桑联邦理工学院 教授

▍主要研究领域

(1) 有机金属化学; (2) 钙钛矿太阳电池。

▍主要研究成果

2002年加入洛桑联邦理工学院化学科学与工程研究所，负责有机金属与药物化学实验室，并在2008年至2016年期间担任研究所主席。他是科睿唯安的高被引研究员，HI指数>110。2010年当选英国皇家化学会院士，2019年当选欧洲科学院院士，2020年当选美国科学促进会终身院士。自2016年以来，他一直是瑞士国家科学基金会数学、自然和工程科学部的理事会成员。2021年，他被任命为基础科学学院院长。

▍Email：paul.dyson@epfl.ch

Mohammad Khaja Nazeeruddin

本文通讯作者

洛桑联邦理工学院 教授

▍主要研究领域

(1) 钙钛矿太阳能电池; (2) 发光二极管。

▍主要研究成果

在印度奥斯马尼亚大学获得无机化学硕士和博士学位。他目前是洛桑联邦理工学院教授。2014-2022年连续被汤森路透集团评为“高被引科学家”。他被泰晤士高等教育评为钙钛矿太阳能电池研究领域前10名研究人员。此外，基于他在整个职业生涯中的影响力，他还入选了斯坦福大学于 2022年10月发布的全球前 2% 被引用次数最多的科学家名单。

▍Email：mdkhaja.nazeeruddin@epfl.ch

王睿

本文通讯作者

西湖大学 助理教授

▍主要研究领域

(1) 钙钛矿太阳电池; (2) 发光二极管。

▍主要研究成果

2015年获吉林大学工学学士学位，2016年获加州大学伯克利分校硕士学位。2016.9-2019.12就读于加州大学洛杉矶分校，师从Yang Yang教授，获博士学位。随后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。 2021年4月全职加入西湖大学工学院。曾入选福布斯中国及亚太30岁以下30人，以及麻省理工科技评论全球科技创新35人等。王睿博士长期从事第三代太阳能电池的研究工作，曾以第一/通讯作者身份在Nature、Science、Nat. Photonics、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Matter和Nano Lett.等旗舰杂志发表论文25篇，研究成果被包括科学美国人，福布斯等多家知名媒体报道。

▍Email：wangrui@westlake.edu.cn

桃李

本文通讯作者

湖北大学 副教授

▍主要研究领域

(1) 新能源材料与器件; (2) 先进存储器件。

▍主要研究成果

主持国家自然科学基金(青年项目)、湖北省自然科学基金(面上项目)、中国科学院光伏与节能材料重点实验室及湖北省铁电压电重点实验室开放课题等，参与973计划重大科学问题导向项目、国家自然基金面上项目等多项国家级项目。桃李博士长期从事钙钛矿太阳电池、新型储能及存储器件的相关研究，先后以第一作者或通讯作者身份在Adv. Energy Mater.、Chem. Eng. J.、Sci. China Mater.、J. Mater. Chem. A、J. Power Sources等杂志发表SCI收录论文20余篇，授权专利5项。

▍Email：litao@hubu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部