光电转换效率达到25.17%，北大团队揭示钙钛矿埋底界面问题根源所在，构筑有序结晶解决界面隐藏难题

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“审稿人基本都同意接收，并建议小修之后快速发表。像这种 Nature 大子刊，投稿要求极高，审稿人也非常严苛。投稿周期通常是半年到一年半，有时甚至更长。而我们这篇论文从投稿到原则上接收仅用时 1 个月 28 天，算是非常快的了。”北京大学教授赵清表示。

对于这篇发在 Nature Photonic 的论文，评审专家也给予了较高评价，他们认为此次成果为理解钙钛矿太阳能电池的神秘埋底界面做出了开创性成果。

其中，钙钛矿型晶格匹配的电子传输层是一个非常新颖、且能够解决具体问题的创新方法。

概括来说，本次成果揭示了埋底界面的根本问题，加深了人们对于这一界面的认知，并通过构筑有序结晶解决了界面隐藏的问题，推动了钙钛矿光伏领域的进一步发展。

（来源：Nature Photonics）

当对钙钛矿太阳能电池有了更多理解之后，可以帮助提升光伏的性能，从而推动大规模光伏发电的商业化应用。同时，钙钛矿光伏也可以在柔性发电、智能穿戴、光伏建筑一体化等多种应用场景得到应用。

众所周知，当前能源危机与环境危机愈发严重，中国提出要在 2030 年实现碳中和、在 2060 年实现碳达峰的目标。太阳能是一种可以免费获取的清洁能源，大力发展太阳能技术，有助于缓解能源与环境危机，还能助力国家实现“双碳”目标。

作为一种新兴光伏材料，凭借诸多适合于光伏的优异光电性质，钙钛矿在最近几年受到学界、业界和资本市场的密切关注。从 2021 到 2022 年，据不完全统计钙钛矿光伏领域已经吸引到将近百亿元的投资。

然而，由于发展时间较短，对于钙钛矿太阳能电池的机理，人们尚未得到完全透彻的理解。过去几年，领域内的研究热点基本都集中在优化钙钛矿薄膜的上界面，这的确推动了钙钛矿太阳能电池的性能提升。然而，研究钙钛矿太阳能电池的埋底界面同样重要。

在钙钛矿薄膜制备完成之后，埋底界面就会被埋藏，因此人们对其知之甚少。同时，这个界面也是看不见摸不着的，各种研究手段在它面前都显得“束手无策”。这让钙钛矿电池的埋底界面，依旧蒙着一层“神秘面纱”。

但是，埋底界面却会显著影响钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。由于它是隐藏的，导致很难从实验上直接观测和研究它。而只有进一步揭示埋底界面的问题所在，才能更好地理解钙钛矿太阳能电池的机理，进而为该类电池的商业化增加一份推力。

为此，赵清团队决定迎难而上，把钙钛矿埋底界面研究个明白。他们先是开发出一种方法，来让埋底界面得到大面积的暴露，从而为深入研究埋底界面以及揭示其未知属性奠定了基础。

（来源：Nature Photonics）

这是一种普适性的新方法，它能以无损的方式对埋底界面进行大面积暴露，从而能以可视化的方式，来对埋底界面进行各类物理表征。

通过这一方法，课题组发现由于钙钛矿薄膜结晶的无序开始，会导致埋底界面的恶化，进而给界面之处带来应力、缺陷和孔洞等问题，导致钙钛矿太阳能电池的性能打了折扣。

而钙钛矿起始结晶无序性的根本原因，是由于下层电子传输层与上层生长的钙钛矿晶体之间的晶格不匹配所造成的。

找到“病根”之后，课题组打算使用晶格匹配的电子传输层来作为衬底，这让钙钛矿薄膜的结晶可以更加有序地开始，从而助力于从根本上解决埋底界面的难题。

于是，该团队合成了一种新型氧化物钙钛矿，以此作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层。这种新型氧化物钙钛矿具备高透明、高导电、以及与钙钛矿具有高晶格匹配的特点。

晶格匹配的电子传输层的好处在于，能让钙钛矿的起始结晶更加有序，进而构筑一个优异的埋底界面，借此解决由于恶化的埋底界面所导致的一系列问题。

随后，他们发现原本大量存在于埋底界面的问题，比如应力、孔洞、弱结晶性、离子迁移等都得到了有效遏制。

最后，课题组成功制备出高效率的钙钛矿太阳能电池，光电转换效率达到 25.17%。运行 1000 小时之后，仍能保持初始光电转换效率原始值的 90%。

（来源：Nature Photonics）

据介绍，自 2014 年以来该团队一直在从事钙钛矿太阳能电池方面研究，亲眼见证了该领域日新月异的发展。

“但是我们组始终坚持一个信条，那就是‘瞄准根本-认知根本-从底层设计出发-触及根本-解决根本’。我觉得作为一名科研工作者，‘锦上添花’式的工作固然重要，但‘雪中送炭’的工作才是目前学术界最需要的。”赵清表示。

另据悉，如能针对钙钛矿界面实现深入的理解和管控，将给钙钛矿太阳能电池的发展带来重要作用。

因此，课题组希望能把本次思路用于研究钙钛矿太阳能电池的其他界面，比如用于研究同样未曾受到太多关注的基底界面。

对于钙钛矿电池的各个界面来说，只有全面、深入了解可能存在的问题，并提出具体解决方案之后，才能做出可以真正推动产业化发展的成果。

参考资料：

1.Luo, C., Zheng, G., Gao, F.et al. Engineering the buried interface in perovskite solar cells via lattice-matched electron transport layer. Nat. Photon. (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01247-4

排版：罗以