1
2
3
4
近日，清华大学电机系易陈谊课题组采用真空热蒸发镀膜与传统溶液法相结合的工艺制备高质量钙钛矿薄膜，突破了目前无甲胺铯甲脒铅卤钙钛矿（铯甲脒钙钛矿）太阳能电池效率的最高记录。
与含有甲胺的钙钛矿相比，无甲胺的铯甲脒钙钛矿具有合适的带隙和更强的稳定性，是理想的光电、光伏材料。然而由于铯甲脒钙钛矿结晶过程和薄膜形貌难以控制等原因，导致铯甲脒体系钙钛矿太阳能电池的光电转换效率明显落后于含有甲胺的钙钛矿太阳能电池。针对此问题，课题组通过引入真空热蒸发镀膜制备碘甲脒（FAI）与传统的溶液制备卤化铅前驱体相结合（图1），制备出了光滑且均匀的铯甲脒钙钛矿薄膜。
蒸镀法制备CsxFA1-xPbX3钙钛矿流程示意图
基于不同方法制备的CsxFA1-xPbX3钙钛矿薄膜的太阳能电池效率
（黑色为传统溶液法，蓝色为溶液+蒸镀法，红色为在原料中加PbCl2的溶液+蒸镀法）
与传统溶液法相比，真空热蒸发工艺能够制备出厚度可控且始终均匀的碘甲脒（FAI）薄膜，从而促进后续的FAI与卤化铅之间的化学转化反应，形成结构缺陷更少、电学性能更优异的钙钛矿薄膜；在此基础上，通过在卤化铅前驱体中加入合适比例的氯化铅，还可以增大晶粒尺寸和结晶性，从而进一步增强铯甲脒钙钛矿薄膜质量。
通过该方法制备的太阳能电池表现出了优异光电性能，在AM1.5G标准光照下取得了最高24.1%（认证效率23.9%）的光电转换效率（图2），这是至今为止报道的无甲胺铯甲脒钙钛矿太阳能电池效率的最高记录。与传统全溶液法制备的铯甲脒钙钛矿太阳能电池相比，该方法制备的器件表现出了更加优异的长期光稳定性、热稳定性和湿度稳定性。未封装的蒸镀太阳能电池在干燥空气中放置20000小时之后仍保持了95%的初始光电转换效率。此外，该方法适用于大面积电池制备，通过该方法，课题组在1cm2太阳能电池取得了22.8%的光电转换效率。
这种引入真空热蒸发制备铯甲脒钙钛矿的工艺对生产环境的容忍度很高，在~50%相对湿度的夏天仍然能够制备出性能优良的器件，且具有良好的可重复性，非常适用于工业化生产。这项工作展示了真空热蒸发镀膜工艺在制备高度均匀钙钛矿薄膜方面的优越性和产业化应用的可行性。
上述成果以“效率超过24%的无甲胺CsxFA1-xPbX3钙钛矿太阳能电池”（Over 24% efficient MA-free CsxFA1-xPbX3perovskite solar cells）为题发表在国际学术期刊《焦耳》（Joule）上。论文共同第一作者为电机系科研助理王思洋、2019级博士生谭理国、2018级博士生周俊杰，通讯作者为易陈谊副教授，合作者包括国家纳米科学中心丁黎明研究员，瑞士苏黎世应用科技大学沃尔夫冈·特雷斯（Wolfgang Tress）博士和瑞士洛桑联邦理工大学迈克尔·格兰泽尔（Michael Graetzel）教授等。工作得到了国家自然科学基金、电力系统国家重点实验室自主科研项目、国家电网国能生物科研项目基金的支持。该课题组依托电力系统国家重点实验室平台，长期致力于钙钛矿太阳能电池的关键材料、制备工艺与能源存储一体化的全链条研究开发工作。
