第一作者：Zonghao Liu

通讯作者：戚亚冰

通讯单位：冲绳科学技术大学院大学(日本)

研究亮点：

1.Cl^-离子钙钛矿薄膜掺杂提高器件性能。

2.甲胺和HPbI₃（气固反应）获得高质量钙钛矿薄膜。

3.超过1 μm的钙钛矿薄膜，器件的效率突破20%。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率（PCE）已达到23.3%，与其他薄膜光伏相比，钙钛矿薄膜的质量决定PSC性能。因此，高质量的薄膜是实现优越性能和高重现性的关键。

有鉴于此，戚亚冰课题组提出一种简单的钙钛矿形成策略，即氯掺杂的HPbI₃和甲胺快速气固反应，得到厚度超过1 μm的钙钛矿薄膜。

图1 钙钛矿薄膜的形成过程

该研究所制得的薄膜具有覆盖度高、结晶度高、粗糙度低和均匀致密等优点。电池效率为19.1±0.4％。12 cm²有效面积的太阳能组件效率为15.3％。

研究人员首先在HPbI₃钙钛矿薄膜中引入不同量的MACl。研究发现通过氯离子部分取代碘离子，形成HPbI₃（Cl）。考虑到MACl存在于室温下的固态，但升高时温度（高于100 °C）会升华，引入的MACl还调整HPbI₃（Cl）的薄膜形态。

图2 Cl^-取代钙钛矿薄膜的部分I^-的过程

接着MA气体就和HPbI₃（Cl）发生气固反应，得到钙钛矿薄膜。XRD表征结果发现，峰值强度逐渐增加归因于氯对钙钛矿薄膜生长的影响。此外，发现随着MACl量增加，14.1°峰值向更高角度偏移。HPbI3（Cl）也表现出相同的变化趋势。然而，当MACl量过多时，钙钛矿薄膜会发生相分离。

器件结构为TiO₂/meso-TiO₂/perovskite/spiro-OMeTAD/Au，效率为20%。1.1 μm厚的钙钛矿薄膜不会对载流子的运输产生不利影响。从SEM横断面看出，钙钛矿晶粒贯穿整个吸光层，最小化的晶界为有效的电荷传输提供便利的途径。

图3 钙钛矿太阳能电池的性能

那么大面积器件的性能表现如何呢？随后研究人员制造模组（有效面积= 12.0 cm²，几何填充因子= 48%），效率值为15.3％。新方法在大面积器件中显示出良好的重复性。这些结果证明了该策略在大规模产业化应用的巨大前景。

图4 电池截面图和模组

MAPbI₃（Cl）薄膜显示出比MAPbI₃薄膜更长的荧光寿命。这得益于更好的结晶度和降低MAPbI₃（Cl）薄膜的缺陷密度。1.1 m厚的MAPbI₃（Cl）薄膜和MAPbI₃薄膜的迁移率分别为1.12和0.83 cm² V^-1 s^-1。此外，迁移率值约为1 cm² V^-1 s^-1是反溶剂制备的薄膜（0.014 cm² V^-1 s^-1）的两个数量级。这进一步证实气固反应制备的钙钛矿薄膜具有优异的电荷载流子传输性能。

图5载流子的传输行为

为了评估器件的稳定性，研究人员在干燥氮气和80 ^oC氛围中，测试未封装的器件。可以连续工作超过1600小时，且效率不衰减。

图6 器件和钙钛矿薄膜的稳定性

总之，该研究不仅提供了一种高度可重复的方法制造高效稳定的钙钛矿太阳能电池和模组，而且提出对器件的深入理解，以及器件稳定性改进的机制。

参考文献：

Liu Z, et al. Gas-solid reaction basedover one-micrometer thick stable perovskite films for efficient solar cells andmodules[J]. Nature Communications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-06317-8

https://doi.org/10.1038/s41467-018-06317-8