北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室赵清教授课题组在钙钛矿太阳能电池器件研究中取得重要进展。研究团队揭示了大多钙钛矿太阳能电池器件制造过程中的高真空热蒸发制备金属电极制备会损坏器件中钙钛矿薄膜表面，导致组分逃逸、缺陷密度反弹和薄膜稳定性降低等问题。该工作打破以往认知，明晰了预先制备的钙钛矿薄膜和实际最终在器件中工作的薄膜并不完全相同，薄膜优化并未完全贡献于器件性能提升这一领域内鲜为人知的现象，并设计一种由氧化石墨烯和石墨片组成的双层结构来消除薄膜前后的不一致性，从而挽救了高真空热蒸发镀膜过程造成的从薄膜到器件性能提升之间的损失。该成果以“消除从钙钛矿薄膜到器件之间的性能损失”(Eliminating performance loss from perovskite films to solar cells)为题，于2024年9月27日在线发表于《科学进展》(Science Advances)。
有机无机杂化钙钛矿材料作为一种新型高效廉价的光伏半导体，将助力我国更好地实现碳中和目标。钙钛矿作为新兴半导体，其材料及器件的主要制备和表征方法都借鉴于传统半导体。但是钙钛矿具有与它们截然不同的晶体特性，例如明显较弱的化学键和较软的晶格等，因此这些常规方法例如高真空热蒸发制备金属电极过程等是否仍然完全适用于钙钛矿需要深入探索。这些过程是否会导致最终工作于器件中的薄膜和预先优化的薄膜是不一致的？薄膜优化是否可以完全贡献于最终器件性能的提升？这些问题很少受到领域的普遍关注。该研究首先通过一系列表界面表征方法对新鲜制备的电极和钙钛矿薄膜进行了测量和表征（图1），证实了钙钛矿薄膜表面在电极制备过程中发生了组分逃逸和部分降解。
图1 电极制备过程造成对钙钛矿薄膜表面的损伤表征
进一步通过导电AFM揭示出电极制备过程削弱了钙钛矿薄膜表面的导电性(图2)，光学测量表征显示出电极制备过程导致钛矿薄膜表面的缺陷密度增加，载流子寿命下降。共聚焦激光扫描显微镜观测到同样的变化规律。后续对薄膜厚度相关的时间分辨光致发光衰减动力学表征结果表明，电极制备过程提高了钙钛矿薄膜的表面复合速率而对体复合寿命的影响相对较小，进一步说明电极制备主要恶化了钙钛矿薄膜表面，从而对后续器件性能造成影响。
图2 电极制备过程对钙钛矿薄膜光电性能的影响表征
为解决这一关键问题，课题组提出通过插入较厚保护层来削弱电极制备过程对钙钛矿薄膜影响的策略，巧妙设计了一种由氧化石墨烯和天然石墨薄片构成的双层结构来作为钙钛矿薄膜的保护层。一系列对钙钛矿薄膜的表征结果表明该保护层可以确保钙钛矿膜在电极制备前后的成分和光电性质的一致性。质谱结果证明在电极制备前后，钙钛矿薄膜的所有组分几乎保持不变(图3a-c)。 最后，通过添加该保护层降低电极制备过程造成的薄膜损伤，将钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从24.63%显著提升到25.55%（图3）。此外，实验结果还证实了该保护层同时有利于提升薄膜的水氧、光热稳定性和对抗离子迁移方面的稳定性。封装的器件在85 ℃加热老化1100小时后仍能保持初始效率的93%，在最大功率点跟踪2000小时后表现出基本不变的优异稳定性 (图3)。上述结果验证了添加该保护层可消除电极制备前后造成的薄膜不一致性，有望将薄膜优化最大化贡献于最终器件光伏性能的提升。
该工作对领域内基于软晶格的半导体光伏材料优化是否可以全面转化为最终器件增强的问题引发了深入思考和关注，也为该类问题在其他类型光电器件中的应用提供了重要参考。
图3 消除薄膜不一致性提升钙钛矿太阳能电池器件性能
北京大学物理学院2024届博士毕业生，现为物理学院博士后骆超为论文第一作者，赵清教授为通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院等支持。
论文原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adp0790
