上海交通大学Science：稳固结构柔弱的钙钛矿半导体异质结

通讯作者：杨旭东，韩礼元

第一作者：王言博

通讯单位：上海交通大学

引言

钙钛矿太阳能电池作为一种新型光伏技术，具有成本低、效率高的特点，目前世界最高光电转化效率纪录已达到25%。作为一种半导体异质结结构光电器件，钙钛矿太阳能电池通过钙钛矿光吸收层、电荷传输层等半导体材料组成的异质结结构来有效分离和提取光生电荷，实现由光能到电能的转换。但是，钙钛矿电池异质结结构并不稳固，一旦异质结结构被破坏，电池性能就会显著降低。究其主要原因，由离子组成的钙钛矿半导体天生结构“柔弱”，工作条件下受光照、电场、温度、水氧等作用的影响会产生大量结构缺陷，导致半导体材料发生结构改变甚至分解；分解逃逸出来的离子还会进入到电荷传输层或者电极层，进一步破坏异质结的光电转换功能，造成整体器件效率的显著降低。因此，如何稳固钙钛矿太阳能电池中“柔弱”的异质结结构，保护光生电荷的分离和提取过程，成为解决稳定性难题的一个重要研究方向。

成果简介

上海交通大学的杨旭东教授和韩礼元教授（共同通讯作者）为解决上述稳定性问题，设计制备了具有稳固结构的钙钛矿异质结结构。该结构主要包含一层表面富铅钙钛矿半导体薄膜，并在薄膜表面沉积氯化氧化石墨烯薄膜，通过形成氯-铅键、氧-铅键，将两层薄膜结合在一起。光学、电学等表征实验结果表明，该异质结结构稳定，可以有效减少钙钛矿半导体薄膜的分解和缺陷的产生，同时也减少了逃逸离子对电荷传输层功能性的破坏。具有该异质结结构的钙钛矿太阳能电池，在一个标准太阳光光强和60^oC条件下连续工作1000小时的后，仍然保有初始效率的90%，而且电池的稳态输出效率通过了国际公认电池评测机构-日本产业技术综合研究所（AIST）光伏技术研究中心的认证。2019年8月16日，相关成果以题为“Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors”的文章在线发表在Science上。

图文导读

图1 富铅钙钛矿薄膜制备

图2 稳定异质结结构形成

图3 电荷传输层得到有效保护

图4 电池结构与性能

小结

该研究团队的工作提供了一种通过构建稳固的异质结来提高钙钛矿太阳电池稳定性的方法，对于钙钛矿太阳能电池产业化的实现具有重要的价值和意义。这也是该研究团队，继2015年在Science期刊上发表高效率钙钛矿光伏研究成果(Science, 2015, 350, 944)和2017年在Nature期刊上发表大面积钙钛矿太阳能电池模块研究成果(Nature, 2017, 550, 92)之后在钙钛矿器件稳定性方面的又一个重要进展。该团队相信，在相关领域科研工作者的共同努力下，钙钛矿太阳能电池成为市场主流发电方式终将实现。我国作为钙钛矿太阳能电池研究的重要力量和世界上最大的光伏组件生产国，将最有可能率先实现其产业化。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/sci/365/6454/687.full.pdf

本文由第一作者王言博博士供稿。

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