鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)十多年的快速發(fā)展，鈣鈦礦單結(jié)電池效率已超過(guò)25%，基于鈣鈦礦的多結(jié)疊層電池效率已超過(guò)30%，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池被認(rèn)為是未來(lái)頗具應(yīng)用潛力的光伏技術(shù)之一。 

光電轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能電池的核心指標(biāo)之一，為實(shí)現(xiàn)高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，常采用可與鈣鈦礦形成I型異質(zhì)結(jié)能級(jí)結(jié)構(gòu)的二次相碘化鉛（PbI2）來(lái)阻擋載流子在多晶鈣鈦礦晶界或表面缺陷處復(fù)合。此前，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所發(fā)現(xiàn)基于二次相PbI2的鈣鈦礦電池較難兼顧效率和穩(wěn)定性（Advanced Materials，2017,29,1703852），原因在于PbI2二次相的存在或提供了鈣鈦礦分解以及離子移動(dòng)通道，使鈣鈦礦材料以及電池器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，且易產(chǎn)生較大的電滯。因此，如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定的二次相，既能實(shí)現(xiàn)鈍化鈣鈦礦缺陷，又能獲得穩(wěn)定的鈣鈦礦吸光材料，從而實(shí)現(xiàn)既高效又穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是當(dāng)前該領(lǐng)域的重要課題之一。 

近日，半導(dǎo)體所研究員游經(jīng)碧帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在鈣鈦礦材料中引入少量氯化銣（RbCl），可將常見(jiàn)的引起鈣鈦礦不穩(wěn)定的二次相PbI2轉(zhuǎn)化成為全新的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好的(PbI2)2RbCl（簡(jiǎn)稱PIRC）（圖1A、B）。研究實(shí)現(xiàn)了85℃條件下鈣鈦礦材料熱穩(wěn)定性大幅度提升，同時(shí)鈣鈦礦材料的離子遷移勢(shì)壘提高了3倍，離子遷移得到有效抑制（圖1C、D）。此外，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)抑制PbI2消除了鈣鈦礦/PbI2界面的強(qiáng)限域?qū)е碌哪軒ё兇髥?wèn)題，減小了鈣鈦礦材料的帶隙，擴(kuò)展了對(duì)太陽(yáng)光吸收范圍。基于獲得的高穩(wěn)定性、光吸收擴(kuò)展的鈣鈦礦材料，該團(tuán)隊(duì)研制出認(rèn)證效率為25.6%的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（圖2A），為目前公開(kāi)發(fā)表的單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池世界最高效率。電池器件1000小時(shí)放置和85攝氏度加速老化分別保持初始效率的96%和80%（圖2B、C）。該工作同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的高光電轉(zhuǎn)換效率和高穩(wěn)定性，為鈣鈦礦電池的進(jìn)一步發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 

相關(guān)研究成果以Inactive (PbI2)2RbCl stabilizes perovskite films for efficient solar cells為題，發(fā)表在Science上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)、國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中南大學(xué)、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)，以及中南大學(xué)、上海同步輻射光源、武漢大學(xué)等的支持。  

圖1.A、具有PIRC二次相鈣鈦礦的掃描電子顯微鏡照片；B、有無(wú)PIRC的鈣鈦礦薄膜X射線衍射圖譜（插圖為局部放大圖）；C與D分別為有無(wú)PIRC的鈣鈦礦電導(dǎo)與溫度關(guān)系圖。 

圖2.A、第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)美國(guó)Newport認(rèn)證書(shū)，認(rèn)證效率為25.6%，插圖為認(rèn)證效率曲線；B、有無(wú)穩(wěn)定二次相PIRC器件放置的電流-電壓曲線；C、有無(wú)穩(wěn)定二次相PIRC器件在85oC加速老化下的穩(wěn)定性。