钙钛矿太阳能电池经过十几年发展已成为一种极具商业潜力的光伏技术，目前其光电转换效率达到商业化晶硅电池的水平，大面积制备技术路线也日渐成熟。稳定性问题成为制约钙钛矿太阳能电池发展的最主要因素。CsPbI3无机钙钛矿材料采用无机离子取代传统的易分解的有机组分（甲胺MA+或甲脒 FA+等）， 可以显著的提高钙钛矿电池热分解温度，降低光致离子迁移，具有实现高效、高稳定性钙钛矿器件的潜力，是用于太阳能电池尤其是叠层电池的理想材料体系。然而，CsPbI3受制于钙钛矿容忍因子较小限制，依然存在相稳定性问题。并且这类材料中的缺陷浓度较高，电池内部存在严重的载流子非辐射复合损失，降低了电池的输出电压。
固态能源系统技术中心在CsPbI3无机钙钛矿方向进行了深入研究。
采用X位部分Br掺杂，制备CsPbI2Br，可以显著提高钙钛矿的容忍因子，提高其相稳定性（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5587、Small Struct. 2020, 2000089），然而会引起带隙增加，降低器件的太阳光利用率。采用A位掺杂可以在有效提高相稳定性的同时，降低CsPbI3钙钛矿带隙，提高光电转换效率。
通过具有较大离子半径的二甲胺（DMA+）或FA+替代无机钙钛矿中的部分铯离子，可以有效稳定其钙钛矿相结构，同时降低其带隙（ACS Energy Lett. 2020, 5, 263、Adv. Energy Mater. 2020, 2002754、Adv. Mater. 2020, 2001054、Sol. RRL 2021, 2100166）。但由于薄膜中依然存在大量缺陷，严重影响光生载流子的高效分离和传输。基于此，该中心提出在薄膜内部构建本体异质结的思路，通过缩短光生载流子在半导体层中停留时间来减小载流子的复合损失。但如何实现稳定的钙钛矿与钙钛矿的异质结又是另一难题，因为传统的有机-无机杂化钙钛矿材料中存在显著的离子迁移，这种离子迁移会使钙钛矿成分趋向于均匀分布。而铯基钙钛矿较大的离子迁移势垒满足于构建体相异质结的先天条件。最终，科研人员通过中间相调控的策略，实现了n型导电的铯基钙钛矿掺杂相和p型导电的非掺杂相的稳定本体异质结。
结果表明，p型和n型钙钛矿半导体的有效接触明显促进了电子和空穴的分离与运输，减少了在电池界面处的载流子积累。得益于异质结策略的有效性，提高了电池的开路电压，降低了电池中存在的回滞效应，电池的光照运行稳定性随之带来了显著的改善。
体异质结钙钛矿太阳能电池中载流子传输与器件性能示意图
相关研究成果近日已发表在Joule《焦耳》期刊上，论文第一作者为青岛能源所的科研助理孙秀红，通讯作者为逄淑平研究员、崔光磊研究员、邵志鹏副研究员与北京工业大学的卢岳教授。该工作得到了国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、山东省重点研发计划等项目的支持与资助。（文/图 孙秀红 邵志鹏 逄淑平）
Xiuhong Sun,# Zhipeng Shao,#,* Zhipeng Li, Dachang Liu, Caiyun Gao, Chen Chen, Bingqian Zhang, Lianzheng Hao, Qiangqiang Zhao, Yimeng Li, Xianzhao Wang, Yue Lu,* Xiao Wang, Guanglei Cui* and Shuping Pang*. Highly efficient CsPbI3/Cs1-xDMAxPbI3 bulk heterojunction perovskite solar cell. Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2022.02.004.
