物质科学

Physical science

宽带隙钙钛矿室内光伏(indoor photovoltaics, IPVs)为物联网(Internet of Things, IoT)系统包括小型、便携式和可持续的电子设备供电等方面已展现出巨大的潜力。然而，基于混合卤素宽禁带钙钛矿的IPV由于卤化物相偏析和空位缺陷导致较大的开路电压（Voc）和填充因子（FF）损失，其室内转换效率（indoor power conversion efficiency, i-PCE）较低。为减少这些缺陷，研究团队提出了在钙钛矿前驱体溶液中引入长链烷基胺油基胺配体（OAm+）形成一种高效的二维-三维（2D-3D）异质结构。与原始3D 宽带隙钙钛矿相比，经OAm+配体处理的宽带隙钙钛矿膜粗糙度降低，具有更均匀的薄膜形貌和更低的漏电流。基于该工艺制备的钙钛矿太阳能电池组件在AM1.5G 100 mW cm-2照射下，光电转换效率为19.20%，其中Voc为7.40 V（每个子电池平均Voc为1.233 V）)， FF为80%。在室内光LED照明（1000 lux, 3000 K, 301.9 μW cm-2）下，组件可实现创纪录的43.54%的i-PCE，Voc高达6.49 V （每个子电池平均Voc为1.08 V），FF高达80%，这是目前为止宽带隙钙钛矿电池组件最好的室内光伏参数。

2023年11月21日，相关成果以“Wide-band-gap perovskite solar minimodules exceeding 43% efficiency under indoor light illumination” 为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上。暨南大学硕士研究生马巧燕、博士研究生马梦恩为共同第一作者，王有生副研究员和麦耀华教授为文章共同通讯作者。

背景介绍

近几年来，物联网电子设备呈爆发式增长，传感器网络是物联网感知层的核心，光能作为一种稳定、连续的室内能源，室内光伏电池有望为工业物联和智能家居传感器提供持续可靠的电能供给，市场前景非常广阔。IPVs通过重新利用室内环境或低强度光线中浪费的剩余光子，这可以有效地为通过物联网生态系统连接的无线电子设备供电，包括分布式传感器、远程执行器和通信设备等。与室外太阳光相比，室内光源的光强要低得多，大约是AM1.5G标准太阳光谱的1/1000以下，为了获得高效率室内光伏电池，器件设计必须充分考虑室内照明光源的光谱分布窄和光强低两个特点。宽带隙材料以及器件高并联电阻（Rsh）是获得高效率室内光伏电池的关键。在新兴的光伏技术中，钙钛矿光伏材料带隙可调、光吸收系数高、对杂质不敏感，对应的光伏电池对缺陷的包容度较高，以上特性是其获得高的室内弱光转换效率的最大加成。

结果分析

图1：OAm+配体对宽带隙钙钛矿性质的影响。(A)不同含量OAmI的效率分布统计。(B)器件的正反扫描J-V曲线图。(C) 不同钙钛矿薄膜的XRD图谱。(D) PL光谱。(E和F)未用OAmI处理和处理过的钙钛矿膜的C-AFM电位图像和相应的谱线图。(G, H, I)未处理的钙钛矿CsFAMAPbI3-xBrx和钝化钙钛矿CsFAMAPbI3-xBrx- OAm+的Br位点、FA位点和Pb位点的DOS计算。

研究团队对比了不同浓度的油胺碘溶液，确定浓度为1mg/ml的油胺碘溶液做添加剂的光伏器件效率最高（图1A-B）。通过对比对照组和实验组宽带隙钙钛矿薄膜的XRD（图1C），可以看出加入油胺碘后，PbI2的峰消失了，说明钙钛矿晶界处的PbI2缺陷被钝化，有效促进了钙钛矿的结晶。引入油胺碘的钙钛矿薄膜在550-700nm波长的范围内出现了2D的峰（图1D），表明加入油胺碘后有2D钙钛矿的形成，有助于提升器件的稳定性。导电原子力显微镜（C-AFM）结果表明（图1E-F），含OAm+配体的宽带隙钙钛矿膜具有更均匀的膜形貌，同时降低薄膜的漏电流。较低的漏电流可能归因于膜质量的提高以及卤化物空位和离子迁移的抑制。通过DFT模拟，从DOS计算图可以看出（图1G-I），含OAm+配体的宽带隙钙钛矿薄膜，在Br-、I-和Pb-位点处存在的陷阱态被有效地抑制。

研究团队进一步用分子动力学模拟（AIMD）研究了OAm+配体和宽带隙钙钛矿分子之间的相互作用过程。研究发现OAm+配体倾向于吸附在3D钙钛矿或A位空位的界面上，成为桥接2D-3D异质结构的重要间隔物，可抑制卤化物迁移和空位缺陷。结果表明，OAm+配体可以通过原位形成的2D-3D体异质结构有效地钝化宽带隙钙钛矿中存在的缺陷，有助于提升宽带隙钙钛矿电池的Voc和FF。

图2：AIMD模拟钝化钙钛矿CsFAMAPbI3-xBrx-OAm+之间的相互作用。

图3：宽带隙钙钛矿太阳能微型组件的室内光伏性能。(A)太阳能组件的截面图。(B) 钙钛矿组件实物图以及P1，P2和P3激光划线的显微镜图像。(C)在LED照明(1000 lux, 3000 K)下，钝化器件的正反扫描I-V曲线图。(D)在LED照明下(1000 lux, 3000 K)，理想光伏器件的S-Q极限效率随带隙能量的变化。(E)总结了不同带隙钙钛矿代表性的i-PCE。

此外，研究团队制备了6个子电池串联的宽带隙钙钛矿光伏组件。从P1、P2和P3划线显微镜图像（图3A-B），可以看出组件获得了出色的互连和高几何填充因子（GFF），在克服电池组件效率损失方面发挥了重要作用。为了验证电池组件的重复性，研究团队对有无添加剂的宽带隙钙钛矿太阳电池组件进行了对比。在AM1.5G （100 mW cm-2）照射下，使用添加剂钝化的器件效率都明显高于不用添加剂钝化的器件效率。在LED照明（1000 lux，3000K）下，基于1.71 eV的宽带隙钙钛矿（Cs0.05FA0.70MA0.25PbI2.25Br0.75）太阳组件获得了6.49 V的高Voc （每个子电池的平均Voc 为1.08 V），室内转化效率i-PCE为43.54% （图3C）。在LED照明（1000 lux, 3000 K）下，通过理论计算，带隙为1.82 eV 钙钛矿电池的理论效率i-PCE可高达55.6% （图3D）。研究论文中采用带隙为1.71 eV的宽带隙钙钛矿太阳电池获得了43.54%的i-PCE，此效率达到理论效率（即54.40%）的80 %。对比窄带隙钙钛矿太阳电池室内光伏效率，目前宽带隙钙钛矿太阳电池室内光伏效率最高为44.72%（面积为0.0915cm2）。该研究团队在面积为12.96 cm2电池组件上做出了43.54%的室内光伏效率，这是目前为止钙钛矿电池组件最好的室内光伏参数（图3E）。室内性能的改善归因于高质量的2D-3D宽带隙钙钛矿异质结构的形成，这种方法减少了电流泄漏和陷阱诱导的缺陷。结果表明，基于2D-3D 宽带隙钙钛矿异质结构的太能电池具有实现更高效率的潜力。

总结

研究团队通过添加剂工程成功地制备了基于宽带隙钙钛矿的太阳能电池组件，在LED照明（1000 lux, 3000 K）下，组件显示出43.54%的创纪录效率，具有6.49 V的高Voc（每个子电池的平均Voc为1.08 V），FF达到80%。室内性能的改善主要归因于通过引入长链烷基胺基油铵配体原位形成的2D-3D体异质结构，钝化了宽带隙钙钛矿中存在的缺陷。该工作为减少宽带隙钙钛矿薄膜缺陷、制备高性能光伏组件提供了普适方法，并为探索更高转化效率的钙钛矿室内光伏组件提供理论依据。

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