表面硫化及能带弯曲示意图 受访者供图
另一位审稿人则认为：（该研究）突破了反型器件效率低，这一长期困扰钙钛矿电池发展的瓶颈问题，为钙钛矿电池研究开辟了新的思路与方向。
有望实现低成本光伏发电
在全球气候变化和“双碳”目标下，光伏技术发展受到世界各国的广泛重视。钙钛矿太阳能电池成本低、效率高，被认为是最有希望实现低成本发电的新型光伏技术之一。
钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells）是利用钙钛矿型“有机—金属卤化物杂化”半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也被称作新概念太阳能电池。
“钙钛矿电池分为正型N-I-P电池和反型P-I-N电池。相对正型钙钛矿，反型钙钛矿电池有其自身优势，可低温制备、工艺简单、稳定性好，同时能和晶硅电池兼容，实现叠层电池的制备。反型钙钛矿/晶硅叠层是钙钛矿电池商业化应用的路径之一。”方俊锋告诉《中国科学报》。
此外，反型钙钛矿电池无需使用具有光催化活性的TiO2以及掺杂的有机空穴传输层，光照下的输出稳定性更好，因此更具发展潜力。
“尽管反型器件具有诸多优势，但目前高效率的钙钛矿电池基本上都是正型器件。正型钙钛矿电池效率已达到25%，而反型钙钛矿电池的最高效率仍维持在22%~23%。”方俊锋说，“因此，如何缩小正反型器件效率差距，实现高效稳定反型器件的制备，一直是钙钛矿电池研究领域的焦点和难点问题。”
电池效率创新高
经过反复实验论证，该课题组采用构筑表面异质结，提高器件内建电场的思路，首先在钙钛矿表面旋涂上吡啶-2-羧酸铅制备富铅层，随后用高反应活性的六甲基二硅硫醚进行硫化，原位形成PbS-I层，实现钙钛矿表面费米能级的上移和能带弯曲，从而在钙钛矿界面处引入额外背场，构建出高效的界面异质结，在抑制界面复合的同时，还显著提高器件开路电压。
基于此方法，研究人员用稳定性好的含羧酸基团聚噻吩衍生物作为空穴传输层，富勒烯衍生物PCBM作为电子传输层，首次将反型钙钛矿电池的转化效率提高到24%以上。
“通过构筑性能优异的界面异质结，使钙钛矿表面的费米能级上移，从而在界面处引入一个额外电场，抑制界面复合，是实现反型电池高效率的主要原因。”该论文第一作者李晓冬对《中国科学报》说。
瞄准“双碳”融合创新
除了提高反型钙钛矿电池的转化效率，该研究还实现了电池稳定性的大幅提升。
“对于所有太阳能电池来说，没有稳定性就无法实际应用。”李晓冬说，“对钙钛矿电池来说，稳定性格外重要，这也是目前制约钙钛矿电池走向商业化的瓶颈。”
在研究中他们发现，Pb-S键强度远高于钙钛矿中的Pb-I键，可以有效抑制老化过程中钙钛矿的衰减，同时Pb-S与钙钛矿的晶格参数接近，能够进一步稳定钙钛矿的晶体结构，从而实现电池稳定性的大幅提升。实验表明，利用Pb-S键，电池经过2200小时的高温（85 oC）加速老化，效率可以保持在初始值的91.8%。光照下（55 oC±5 oC），经过1000小时的连续最大功率输出加速老化测试，效率也能稳定在初始值的90%以上。
“这为反型钙钛矿电池研究提供了一个新的思路与方向。” 方俊锋说，“通过合理优化设计，完全可以实现兼具高效率和高稳定性的反型钙钛矿电池。”
钙钛矿电池作为当前最具潜力的新型光伏技术，在国家宏观政策、产业界的支持以及科研人员的配合下，极有希望走向大规模商业应用。
“未来将继续围绕高效稳定的反型钙钛矿电池深入研究，探索构建高效界面异质结的新方案，进一步提升器件效率和稳定性。”谈及这项研究的应用前景，方俊锋表示，“同时，我们也会开展一些大面积钙钛矿电池模组研究，推动钙钛矿电池走向实用化。”
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.abl5676