近日，山東大學集成電路學院教授王亮與化學與化工學院教授于偉泳聯合，在全空氣制備鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進展，成果以“Two-Step Inverted Perovskite Solar Cells with > 25% Efficiency Fabricated in Ambient Air”發表在期刊Advanced Energy Materials上(影響因子24.4)，王亮教授、于偉泳教授為論文的共同通訊作者，山東大學化學與化工學院碩士研究生吳國鑫為第一作者。
 

　　兩步法制備鈣鈦礦太陽能電池具有簡單、高重現和操作便利的特點。然而，在第一步制備碘化鉛(PbI2)薄膜時，由于退火溫度低且時間短，大量與碘化鉛結合的二甲基亞砜(DMSO)殘留在薄膜內，影響后續第二步反應中有機胺陽離子與碘化鉛的反應產率，造成碘化鉛殘留。此外，在空氣氛圍中制備時，吸濕性的二甲基亞砜會加劇碘化鉛薄膜吸收空氣中的水分子，造成后續結晶紊亂，嚴重影響最終制備的鈣鈦礦薄膜質量。
 

　　圖1. (a) 對照組與目標組PbI2薄膜的X射線衍射圖譜，插圖為兩組PbI2薄膜表面水接觸角測試結果；(b)對照組與(c)目標組的鈣鈦礦薄膜的掠入射廣角X射線散射譜；(d) 鈣鈦礦薄膜遇水穩定性對比實驗照片；(e)對照組與(f)目標組鈣鈦礦晶體生長機制差異示意圖。HargCl指的是L-高精氨酸鹽酸鹽。

 

　　為了解決這一問題，本工作地將L-高精氨酸鹽酸鹽引入碘化鉛前驅體溶液中，利用其相比于DMSO與碘化鉛具有更強相互作用力的特點，在退火過程中促進碘化鉛與DMSO的分離，顯著降低了DMSO的殘留量。此外，疏水性和多官能團位點的L-高精氨酸鹽酸鹽保留在薄膜內部還發揮了抵御水分子侵入和鈍化晶體缺陷的作用。利用這一策略，我們在空氣中制備出了高質量的鈣鈦礦薄膜，并在鈣鈦礦太陽能電池中實現了25.05%的能量轉換效率——這是迄今為止報道的兩步法全空氣制備反式鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。這一策略將助力鈣鈦礦太陽能電池空氣中制備的普及，也將促進其大規模商業化生產和應用。
 

　　上述研究工作得到國家自然科學基金等項目的資助。