Nat. Commun.：利用单晶钙钛矿的低带隙吸附实现太阳能电池效率达到17.8％

【引言】

有机-无机卤化物钙钛矿（OIHPs）由于具有消光系数大，载流子复合寿命长，载流子迁移率大等优越的光电性能，近年来在太阳能电池的应用引起了极大关注。由于材料质量和器件界面的改善，OIHPs太阳能电池经几年后的发展效率已经达到了22.1％，但是由于目前钙钛矿材料的非优化带隙，其正在面临一个瓶颈。

【成果简介】

近日，北卡罗来纳大学黄劲松（通讯作者）团队表明利用钙钛矿单晶的窄带隙吸收可以缩小它们的有效光学带隙而不改变组成。通过疏水界面限制横向晶体生长方法，在空穴传输层覆盖的衬底上直接生长厚度几十微米的薄甲基三碘化铅单晶。甲基三碘化铅单晶太阳能电池的光谱响应延伸到820nm，比相应的多晶薄膜太阳能电池宽20nm。并且不会牺牲开路电压和填充因子，单晶钙钛矿太阳能电池的效率达到了17.8％。相关成果以题为“Thin single crystal perovskite solar cells to harvest below-bandgap light absorption”发表在了Nature Communications上。

【图文导读】

图1依赖厚度的钙钛矿吸收和器件性能

a）来自多晶薄膜的甲基三碘化铅（MAPbI₃）的带隙转变和吸收系数的示意图

b）计算出不同厚度的MAPbI₃薄膜的吸收

c）单晶太阳能电池的J_sc，V_oc和PCE的理论计算

图2 钙钛矿薄单晶的生长机制

a-d）离子扩散和薄单晶生长之间相关性的示意图

e,f）使用e）亲水性和f）疏水性基底约束间隙中的离子扩散速率的示意图

g）三碘化甲基三铵（MAPbI₃）前体溶液在不同持续时间后的扩散过程

图3 钙钛矿薄单晶的表征

a,b）甲基三碘化铅（MAPbI₃）薄单晶a）和三甲基溴化铵（MAPbBr₃）薄单晶b）的照片

c-e）具有不同厚度的MAPbI₃薄单晶的横截面SEM图像：c≈10μm，d≈20μm，e≈40μm

f）MAPbI₃薄单晶的X射线衍射图

g）10μm厚的MAPbI₃薄单晶和500nm厚的多晶薄膜的吸收光谱

【小结】

该研究展示了使用单晶来拓宽钙钛矿太阳能电池的光响应范围而不损失器件光电压和填充因子。MAPbI₃薄单晶通过疏水界面生长法生长，晶体厚度控制在几十微米。这项工作为进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供了新的方向。此外，需要做更多的努力来提高载流子扩散长度和钝化表面非辐射复合中心密度，以便将器件效率提高到SQ极限。

文献链接：Thin single crystal perovskite solar cells to harvest below-bandgap light absorption（Nat. Commun.,2017,DOI:10.1038/s41467-017-02039-5）

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