近年來，鈣鈦礦太陽能電池的效率突飛猛進，目前已突破25%，這樣優(yōu)異的性能吸引了眾多優(yōu)秀科學家關注與研究，因而鈣鈦礦材料在能源，環(huán)保，材料等領域已成為研究熱點。我們列舉了2020年發(fā)表在Science和Nature上關于鈣鈦礦材料的研究成果，供大家一起交流學習。p.s.文末附有5篇關于鈣鈦礦的頂刊綜述推文鏈接。

Nature 2篇

1、解決鈣鈦礦電池器件鉛泄露問題 

鈣鈦礦太陽能電池作為一種新興的高效、低成本的光伏技術，在走向商業(yè)化的過程中面臨著障礙。目前，器件的穩(wěn)定性已經得到了實質性的改善，但是關于鉛泄露和毒性的潛在問題仍未得到深入研究。據報道，商用涂料中鉛含量一般為0.007 g m-2，而在吸光層厚度約550 nm的典型鉛基鈣鈦礦太陽能電池中，Pb的單位面積濃度約為0.75 g m-2，比目前含鉛涂料濃度要高兩個數量級。在建筑集成光伏電池中使用鈣鈦礦太陽能電池時，鉛泄漏可能會對環(huán)境和公共健康帶來潛在危險。這些都是鈣鈦礦太陽能電池走向商業(yè)化必須要解決的問題。

針對此，北伊利諾伊大學和NREL等機構的Tao Xu, Zhu Kai研究團隊提出一種化學方法，可確保在設備嚴重損壞后，仍可以隔離96%以上的鉛泄漏。具體做法是，在設備的前后兩端都涂上一層吸鉛材料。在前面的透明導電玻璃電極的一側，使用了一種含有膦酸基團的透明吸鉛分子膜（DMDP膜），其可與鉛緊密結合。DMDP膜的厚度在0.7到6.89μm范圍內都是高度透明的，而且DMDP膜不溶于水，但具有良好的透水性。當水滲入器件時，每個DMDP分子中的兩個膦酸基團可以與鉛牢固結合，有效地吸收水中的鉛。在背面的金屬電極一側，在金屬電極和標準光伏包裝膜之間放置一種摻有鉛螯合劑的聚合物膜（EDTMP–PEO膜）。兩側的吸鉛膜在浸水時會膨脹以吸收鉛，而不是溶解鉛，從而保持結構的完整性，以便在器件損壞時易于收集鉛。這有助于解決鈣鈦礦鉛泄露的問題，拓寬鈣鈦礦光伏器件的應用前景。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2001-x

DOI: 10.1038/s41586-020-2001-x

2、應變工程穩(wěn)定鹵化物鈣鈦礦結構

鹵化物鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的電子和光電特性，已在光伏器件應用中顯示出巨大的前景。但是，目前最具有發(fā)展前景的FAPbI3成分鈣鈦礦面臨著相穩(wěn)定性差的問題，很容易在室溫下形成非鈣鈦礦的六方相。雖然一些摻雜添加劑的手段已經被用于解決這個問題，但都會增加制備步驟，從而增大成本。而應變工程是一種強大的工具，可用來提高載流子遷移率，增強半導體器件的性能。盡管研究者已經做出了一些嘗試，包括使用靜水加壓，電致伸縮，退火，范德華力，熱膨脹失配和熱誘導的基底相變等手段，以對鈣鈦礦鹵化物施加應變，但由于缺乏合適的、晶格失配的外延襯底，通過化學外延對鹵化鈣鈦礦施加可控的應變工程仍然是一個挑戰(zhàn)。

針對此，加州大學圣地亞哥分校的Sheng Xu團隊借用一種穩(wěn)定的、晶格尺寸較小的鈣鈦礦作為生長襯底，利用應變工程的壓縮應力，控制了基底上部鹵化物鈣鈦礦單晶薄膜的外延生長。并且結合實驗技術和理論計算方法研究了應變工程下得到的α-FAPbI3的相關特性。具體的，通過調整基底材料的成分以及晶格參數，將高達2.4％的壓縮應變施加到外延α-FAPbI3薄膜上。相關結果表明，該應變有效地改變了鈣鈦礦晶體結構，減小了帶隙并增加了α-FAPbI3的空穴遷移率。這主要是因為壓縮應變下晶體電子結構發(fā)生了改變，應變導致空穴波函數震蕩加劇，加快了電荷波的運動，從而電荷遷移率提高。由于基底鈣鈦礦與上部鈣鈦礦的晶格原子間的對齊，應變外延作用還使得α-FAPbI3保持在立方相，起到i顯著的穩(wěn)定作用。這項研究為發(fā)展更為穩(wěn)定的鈣鈦礦材料提供了一個全新的思路。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1868-x

DOI: 10.1038/s41586-019-1868-x

Science 4篇

3、精確測量鈣鈦礦太陽能電池中的缺陷

鈣鈦礦太陽能電池內部的缺陷態(tài)會直接導致非輻射電荷重組，從而導致能量損失、影響器件性能。因此，了解缺陷態(tài)在空間和能量上的分布狀態(tài)是充分理解鈣鈦礦材料和器件中電荷傳輸和復合的最基本要素之一。目前，熱導納光譜（TAS）、表面光電壓（SPV）、陰極發(fā)光（CL）等表征手段已經被用于研究鈣鈦礦薄膜內部缺陷態(tài)的性質，但是這些技術都很難應用于完整的太陽能電池器件以測量內部缺陷的分布狀態(tài)。深層瞬態(tài)光譜（DLTS）等深層缺陷表征方法需要在長時間外加偏壓的條件下測量，而這會引起鈣鈦礦器件中離子遷移現象。

來自北卡羅來納大學的黃勁松研究小組創(chuàng)新性地將一種基于電容測試的技術，驅動級電容分析（drive-level capacitance profiling），應用于鈣鈦礦太陽能電池領域，同時捕獲到內部缺陷在空間（spatial）與能量空間（energetic）上的分布狀態(tài)。對鈣鈦礦單晶和多晶薄膜的缺陷態(tài)都進行了詳細測量，多角度驗證了其測試的準確性，證實了缺陷鈍化在提升器件性能上的重要作用，也明晰了表界面處是深能級缺陷存在的主要位置。這不僅提供了一種精確測量缺陷態(tài)性質的新手段，而且指明了未來鈣鈦礦太陽能電池的重要研究方向——界面鈍化。

文章鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1352

DOI: 10.1126/science.aba0893

4、Cl摻雜輔助制備寬帶隙鈣鈦礦助力構筑高效疊層光伏器件

眾所周知，高質量的鈣鈦礦薄膜是制備得到高性能器件的保證。在結構為ABX3的鈣鈦礦材料中，鹵素（I/Br/Cl）在X位比例的調整使得帶隙在1.6-3.06 eV可調，然而，也因此導致光致相分離、載流子輸運長度短等問題。當Br含量大于20%時，光致相分離現象尤為嚴重，由此產生的富碘相會充當缺陷態(tài)，捕獲電荷從而降低開路電壓。利用Cs/DMA等陽離子進行A位調控可以限制混合鹵素鈣鈦礦的Br含量，添加劑手段被用于鈍化薄膜內部缺陷，二維鈣鈦礦也被沉積在三維鈣鈦礦表面，起到表面鈍化的作用。但這些手段都沒有從根本上解決開路電壓損失與光穩(wěn)定性差的問題。

科羅拉多大學和NREL的McGehee和徐集賢等研究者通過增加Br的含量來縮小晶格常數，從而將Cl成功摻雜入鈣鈦礦晶體結構當中，實現了三元鹵素鈣鈦礦的制備，以及鹵素均勻化分布，將薄膜內部光生載流子壽命提升2倍。基于這種寬帶隙鈣鈦礦構建的glass/ITO/poly-TPD/PFN-Br/鈣鈦礦/LiF/C60/BCP/Ag的p-i-n結構的器件，開路電壓與理論值相比只有0.45V的損失，實現了20.42%的光電轉化效率。采用SnO2/ Zn:SnO2/ITO做頂電極構筑半透明器件，優(yōu)化后的小面積（0.06cm2）器件實現了18.59%的光電轉化效率，在1000h后仍保持了大于96%的初始性能；大面積（1.00cm2）的認證效率為目前世界最高值，可達16.90%。將半透明的鈣鈦礦太陽能電池底部的ITO/glass基底用覆蓋有20 nm厚ITO復合層的正面拋光的硅異質結底電池所代替，開路電壓達到1.886 V，短路電流密度為19.12 mA cm-2，填充因子為0.753，實現了27.13%的光電轉化效率，這是目前文獻中報道的最高值。基于組分工程制備得到的這種三元鹵素鈣鈦礦，成功制備得到了高效疊層太陽能電池，顯示出多結結構在未來太陽能電池領域的巨大潛力，有利于進一步提升太陽能電池效率。此外，在高注入電流密度下，這種三元鹵素鈣鈦礦保持了穩(wěn)定的電致發(fā)光，表明該材料也可用于LED等光電領域，推動了鈣鈦礦光伏器件的商業(yè)化進程。

文章鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1097

DOI: 10.1126/science.aaz5074

5、陰離子調控寬帶隙鈣鈦礦助力構筑高效疊層光伏器件

商業(yè)化鈣鈦礦光伏（PV）器件最有希望的策略之一是將鈣鈦礦頂部電池與硅底電池串聯(lián)使用，以達到超出單結器件的Shockley-Queisser極限的超高效率。而要最大限度地提高鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池的功率轉換效率（PCE），就需要制備高性能、穩(wěn)定、寬帶隙的鈣鈦礦頂電池。大多數研究鈣鈦礦/Si串聯(lián)太陽能電池都采用鈣鈦礦薄膜，其常規(guī)帶隙為1.5至1.6 eV，但串聯(lián)配置頂部電池的理想帶隙為約為1.67至1.75 eV。盡管某些已報道的鈣鈦礦/Si串聯(lián)設備使用了寬帶隙鈣鈦礦（接近1.7 eV），但報道的PCE仍小于25％。

來自首爾國立大學和NREL的Jin Young Kim，朱凱等研究工作者開發(fā)了一種穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池，其帶隙約為1.7 eV。在連續(xù)照明1000小時后，可保留其初始效率的20.7％的80％以上。其中，研究表明陰離子（SCN-）工程和苯乙銨（PEA）的二維（2D）添加劑對于控制結構至關重要。最后，單片寬間隙鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池獲得26.7％的效率。

文章鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/368/6487/155

DOI: 10.1126/science.aba3433

6、1-丁硫醇錨定鈣鈦礦助力構筑高效疊層光伏器件

將較小帶隙的太陽能電池相互堆疊以形成雙結膜，這就有可能突破光伏電池的單結Shockley-Queisser極限。鈣鈦礦薄膜制備技術的快速發(fā)展帶來了鈣鈦礦單結電池的快速發(fā)展，目前效率已超過25％。但是，該工藝尚未能夠與光伏行業(yè)相關的紋理化晶體硅太陽能電池進行單片集成。

針對此，多倫多大學Edward H. Sargent 和阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf團隊報道了將溶液處理的微米級鈣鈦礦頂部電池與完全紋理化的硅異質結底部電池相結合的雙疊層電池。為了克服微米級鈣鈦礦中電荷收集的問題，研究者將硅錐體底部的耗盡層寬度增加了三倍。此外，通過將一種自限鈍化劑（1-丁硫醇）錨定在鈣鈦礦表面上，增加了擴散長度并進一步抑制了相分離現象。多種策略聯(lián)合作用使鈣鈦礦硅串聯(lián)太陽能電池的認證效率達到了25.7％。在85°C下進行400小時的熱穩(wěn)定性測試后以及在40°C下在最大功率點追蹤測試400小時后，其性能仍可保持初始性能。

文章鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135

DOI: 10.1126/science.aaz3691