《科学》：北京时间1月28日上线华东师大研究成果
瞄准“双碳”目标 第三代电池 最有希望实现低成本发电的新型光伏技术
你知道吗？钙钛矿型太阳能电池（perovskitesolar cells），是利用钙钛矿型的有机-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，也称作新概念太阳能电池。
在全球气候变化和“双碳”目标下，光伏技术的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的优势。其可低温制备、工艺简单、稳定性好，同时能够和晶硅电池兼容，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”，研究团队表示。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，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基于正型器件，其电池效率已经达到25%，而反型钙钛矿电池的效率则明显偏低，其最高效率仍维持在22-23%。”研究团队说，“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一个焦点和难点问题。”
李晓冬副研究员
电池效率这样创新高
经过反复实验论证，课题组采用构筑表面异质结，提高器件内建电场的思路（图1），首先在钙钛矿表面旋凃吡啶-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，抑制界面复合的同时，显著提高器件开路电压。
基于此方法，采用本课题组报道的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（权威第三方认证效率23.5%）。
图1.表面硫化（SST）以及能带弯曲示意图，钙钛矿电池的J-V曲线
“我们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。这是其能实现反型电池高效率的主要原因。”该团队介绍说。
“没有稳定性，就没有应用”
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。
“对于所有的太阳能电池来说，没有稳定性就没有应用。”第一作者李晓冬谈到，“对于钙钛矿电池来说，稳定性格外重要，是目前制约钙钛矿电池走向商业化应用的一个关键瓶颈问题。”
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PbS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。电池经过2200小时的高温加速老化（85℃），效率可以保持在初始值的91.8%。光照下（55°±5℃），经过1000小时的连续最大功率输出加速老化测试，效率也能够稳定在初始值的90%以上（图2）。
图2.钙钛矿电池的稳定性
可以说，这项工作为反型钙钛矿电池的研究提供了一个新的思路与方向。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，极其有希望走向商业应用。”
谈及这项研究的应用前景时，研究团队表示，“未来我们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。同时也会开展一些大面积钙钛矿电池模组的研究，来推动钙钛矿电池的实用化研究。”
对接国家战略需求实现学科融合创新发展
该研究以华东师范大学为第一单位，与中科院宁波材料所合作完成。李晓冬副研究员为论文第一作者，方俊锋教授为论文唯一通讯作者。而这项瞄准“双碳”目标的科研成果，是华东师大物理与电子科学学院学科发展的缩影。
近两年来，华东师范大学物理与电子科学学院对标“一流学科”建设任务，积极对接国家战略需求，致力于解决变革性技术和关键科学问题。特别是通过优化学科布局追求学术卓越，在发挥光学、原子分子物理等传统优势二级学科的基础上，持续推进光学与材料、光电子等的交叉融合。同时聚焦卓越科研团队建设，为产出更多原创性、标志性成果创造条件，进而实现学科融合创新发展。
唯一通讯作者方俊锋教授
方俊锋，教授，博士生导师，国家中组部青年拔尖人才，中科院百人，中科院特聘研究员。2006年博士毕业于中科院长春应化所高分子物理与化学国家重点实验室，随后分别在瑞典Umea大学物理系（2006-2008年）和英国剑桥大学化学系（2008-2010年）从事博士后研究。2011年，获中科院****，进入中国科学院宁波材料技术与工程研究所工作。2019年，作为华东师大“紫江优秀青年****”被物理与电子科学学院引进。
华东师大深入贯彻落实中央人才工作会议精神，实施“人才强校”战略，完善学校人才工作格局，优化“双百计划”、准聘副高等校内青年人才计划，对接国家青年人才计划和学校各学科发展及队伍建设需求，揽蓄并举，引育了一批有基础、有闯劲儿的优秀青年人才，打造了“双百计划-****”发展上升通道，产生了众多具有重要社会影响力的成果，在学校事业发展中起到了生力军作用。
来源｜物理与电子科学学院 科技处 人事处 文｜吴潇岚 李丹
编辑｜吴诚薇 吴潇岚 编审｜郭文君
