在国家重点研发计划纳米专项的支持下，我校物质学院宁志军课题组在高效稳定钙钛矿太阳能电池方面取得重要进展。通过离子交换的方法，在杂化钙钛矿晶粒表面形成无机CsPbI3富集的准无机纳米壳层结构，使无甲胺钙钛矿反式结构太阳能电池的效率达到20.7%，连续最大功率点运行1000小时后仍保留原始效率的95%。该成果以Cs0.15FA0.85PbI3/CsxFA1-xPbI3 Core/Shell Heterostructure for Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells为题，在Cell出版社旗下子刊Cell Reports Physical Science上发表。
钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转换效率，便捷的制造工艺和低成本等特点，有望进一步推进光伏领域的发展。但是这种钙钛矿材料对水氧敏感，在持续光照或加热的条件下很容易发生降解，尤其是在工况状态电场的存在下会加速钙钛矿的解离，这也是目前钙钛矿太阳能电池商业化应用所面临的最大挑战。这一问题的原因之一钙钛矿中的有机离子在工作状态下容易发生迁移，尤其目前高效钙钛矿电池组分中含有易挥发甲铵离子，加剧了结构的不稳定性。
针对以上问题，基于Cs0.15FA0.85PbI3无甲胺钙钛矿体系，上海科技大学物质学院宁志军教授课题组通过离子交换的方法，使用CsSCN作为反应物，用Cs交换晶粒表面的甲脒（FA）有机阳离子，在Cs0.15FA0.85PbI3晶粒上制备了CsPbI3富集的的准无机壳层结构（图1）。第一性原理计算表明无机CsPbI3为主的表面使得钙钛矿的肖特基缺陷形成能增加，这使得晶体界表面处缺陷密度降低，非辐射复合减少以及载流子寿命提高。基于该异质结构的反式器件实现了20.7%的效率，是迄今为止报道的CsxFA1-xPbI3体系中反式钙钛矿电池的最高效率。
图 1 | 杂化/准无机纳米核壳结构钙钛矿的形成示意图
除了效率的提高，由于表面无机结构的保护和缺陷密度的减少，该核壳结构有效降低了离子迁移并减少了钙钛矿和水氧反应速率，大幅提高了钙钛矿材料的光热和空气稳定性。基于这一核壳钙钛矿结构研究人员采用较为稳定的无机氧化镍基底的反式结构制备了太阳能电池，封装的器件在最大功率点连续工作1000小时后，仍保持95%以上的原始效率（图2A），按照日照时间和强度推算器件真实环境下使用寿命为两年。这是目前基于CsxFA1-xPbI3体系的反式结构钙钛矿电池的最佳工况稳定性。同时，封装器件能够分别在60℃和85℃下持续工作250小时和50小时（图2B和2C），展示出良好的高温工况稳定性。
杂化/准无机纳米核壳结构结合了杂化钙钛矿结构优异的光电性质和无机钙钛矿良好的稳定性，可以有效抑制离子迁移并实现较高的能量转化效率，为高效稳定钙钛矿太阳能电池的构筑提供了一条途径。该方法有一定的商业应用前景，已经申请了专利。
该课题的研究工作全部在上海科技大学完成。宁志军课题组的2017级硕士生彭子键为第一作者，2019级博士生魏旗负责了理论计算工作，通讯作者为宁志军，物质学院凌盛杰课题组进行了原子力显微镜-红外光谱的测试，物质学院电镜中心工程师刘为燕进行了透射电子显微镜的测试，物质学院分析测试平台为材料表征给予了大力支持。项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上科大科研启动基金等项目的支持。
图2 | 封装太阳能电池器件在不同温度下的工况稳定性，control为传统杂化钙钛矿结构，HSP为杂化/准无机纳米核壳结构钙钛矿。
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