钙钛矿太阳能电池转换效率高歌猛进大幅度增长至24%

钙钛矿太阳能电池自2009年问世以来，转换效率高歌猛进，在短短十年之间已经由最初的3%大幅度增长至24%。不过学界对材料的一些基础问题，仍然争论不休，如有机无机杂化钙钛矿的铁电极性及其光伏关联等。

在上周五上线的一篇Advanced Materials论文中，中科院深圳先进技术研究院、浙江大学、和石家庄铁道大学的研究小组，利用先进的原子力显微方法，对这一问题在纳米尺度做了新的解读。

一些人可能认为有机无机杂化钙钛矿的铁电极性只是一个纯学术问题，与太阳能电池的性能并没有太大的关系。但早期的一些计算表明，铁电性所引起的退极化电场，有助于其光生载流子的分离，甚至可以在铁电畴界形成高速的载流子传输通道，引起了不少人的兴趣。而后来所发现的光伏JV曲线迟滞现象，也让人联想到铁电迟滞，提出光伏迟滞源自铁电迟滞。但在随后几年，杂化钙钛矿的铁电极化一直缺乏实锤证据，而Snaith等人2015年在APL发表论文更显示，电池的光伏迟滞主要是由离子迁移所引起的。因此对于杂化钙钛矿铁电性的关注度有所降低。

不过Snaith的论文虽然清晰表明在其所研究的材料体系中，光伏迟滞源于离子迁移，但他们的数据表明在该体系之中并不存在铁电极化。而最近的几篇文章也表明铁电极性在某些杂化钙钛矿体系中是存在的，取决于材料的成分和工艺。如中科院深圳先进院和石家庄铁道大学等院校此前在npj Quantum Materials所发表的论文，就通过原子力显微成像清晰显示，在单晶杂化钙钛矿中，极性与非极性畴交替共存，而且极性畴所对应的光电流更低。此后在Nature Communications和Science Advances所发表的几篇论文，也给出了杂化钙钛矿铁电极性的更多证据。因此很自然的一个问题就是，在存在铁电极性的时候，光伏迟滞是不是会增加了？

为回答这一问题，研究组采取三元钙钛矿体系作为研究对象，主要基于两方面考虑。一是该体系光伏效率高，而迟滞较低；二是针对三元体系的铁电极性研究还没有报道。为建立局域尺度铁电极性、离子迁移、和光伏迟滞的可能关联，研究组采取中科院深圳先进院所发展的非线性原子力显微方法，通过一倍频和二倍频的力电耦合效应对比，分辨铁电极化和离子迁移的相对贡献。他们发现在光照下，一倍频响应显著增加，相应的品质因子有所增强，而共振频率略有降低，显示光致铁电极化增强效应。而所对应的二倍频响应没有显著改变，显示光照并未引起显著的离子迁移。

为揭示极化增强的可能影响，研究组进一步发展局域光电流显微方法，在一系列偏压之下成像光电流分布，并通过主成分分析重构纳米尺度局域的JV曲线，发现迟滞很低 ，显示即使在存在铁电极性的情况下，铁电极化对光伏迟滞仍然没有大的影响。这一纳米尺度的局域关联，也被宏观器件测试所证实。因此，这一研究表明我们可以通过铁电极化的设计，提升其光生载流子分离效率，而不必担心其对光伏迟滞的不利影响。

这一研究进一步显示了离子运动是影响钙钛矿太阳能电池性能的关键因素，对光伏迟滞和电池稳定性都有重要的影响。在此前的一篇Nature Communications论文中，研究组与北京大学电镜中心合作，揭示了杂化钙钛矿退化降解为PbI2的原子尺度路径。特别值得一提的是，他们发现降解过程中缺陷有序超结构的存在。能否稳定该超结构，可能是提升电池稳定性的关键。而超结构本身，也可能带来一些新颖有趣的性能。相关研究，正在进行中。