太阳能是一种取之不尽的清洁能源，发展高效且廉价的光伏技术将有助于我国实现碳达峰与碳中和的目标。钙钛矿是一种新兴的高效光伏材料，其可溶液加工和离子型晶体特性使钙钛矿薄膜的光伏效应被深能级缺陷显著削弱。既往的报道大多基于额外引入添加剂实现钝化；碘化铅（PbI2）作为钙钛矿的合成原材料和分解后的组分存在于钙钛矿薄膜中，本身就是一种天然的优良钝化剂，有望用于实现非添加剂的高效钙钛矿太阳能电池。然而，PbI2的光不稳定分解会在钙钛矿薄膜中引入孔洞，使器件稳定性下降。如何趋利避害地利用这把“双刃剑”，充分发挥其钝化效应一直是相关领域内的一个难题。
近日，北京大学物理学院、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赵清教授课题组使用低温凝结痕量水，仅仅刻蚀钙钛矿薄膜上表面，可以可控地产生仅分布在上表面晶界的PbI2，实现对PbI2位置分布的有利调控，从而巧妙地使PbI2与钙钛矿晶粒构成自诱导I型（Type-I）能带排列，分布在钙钛矿和空穴传输层之间（图1），有效避免了载流子在晶界处的非辐射复合损失，在很大程度上提高了钙钛矿太阳能电池效率。当光经过完整钙钛矿薄膜到达PbI2时，几乎完全被钙钛矿薄膜吸收，因此将大大减弱光对PbI2的分解能力，避免由于分解产生的孔洞导致的器件稳定性削弱的难题。
图1 PbI2与钙钛矿晶粒形成的自诱导I型能带排列（左）和光吸收（右）示意图
基于该方法，研究人员获得了载流子寿命超过2.5 μs的高质量钙钛矿薄膜，并将钙钛矿太阳能电池的开路电压从1.07 V提高到1.17 V。在一步法制备中将钙钛矿太阳能电池的能量转换效率从20.2%提升到22.4%，并在两步法制备中实现了23.2%的高能量转换效率（图2）。
图2 钙钛矿薄膜扫描电镜（SEM）形貌图、掠入射X射线衍射（GIXRD）图及一步法和两步法制备电池J-V曲线图（从左至右）
2021年8月17日，相关研究成果以“表面晶界处自诱导I型能带排列实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池”（Self-Induced type-I band alignment at surface grain boundaries for highly efficient and stable perovskite solar cells）为题，在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）；北京大学物理学院2020级博士研究生骆超为论文第一作者，赵清为通讯作者。
上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金，及北京大学长三角光电科学研究院、量子物质材料协同创新中心等支持。
论文原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103231
