澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）悉尼分校的研究团队近日宣布了一项关于氯碘基钙钛矿太阳能电池的新研究进展。该研究通过引入一种新的缺陷钝化策略，成功将电池的光电转换效率提高了约15%，并增强了其环境稳定性。
背景与挑战
尽管基于氯碘的钙钛矿材料具有优异的光电子特性，但由于氯和碘离子之间的半径不匹配，导致了不可避免的离子迁移问题。这种迁移会在钙钛矿薄膜中产生原子空位或原子堆积等局部缺陷，从而影响电池性能。
实验设计
在本研究中，活性钙钛矿层由60%的甲酰胺二铵（FA）和40%的甲基铵（MA）组成，其中卤化物成分包含10%的氯（Cl）和90%的碘（I），化学式为FA0.6MA0.4PbI2.7Cl0.3。电池结构还包括氧化锡（SnO2）作为电子传输层（ETL），沉积在氧化铟锡（ITO）上；以及Spiro-OMeTAD作为空穴传输层（HTL），银（Ag）作为背电极。
创新方法
研究人员发现，在氯碘化物钙钛矿和SnO2 ETL之间存在一种自形成氯化锡（II）（SnCl2）的独特现象。在这个过程中，来自ETL的Sn2+离子和来自钙钛矿的Cl-离子向埋藏界面迁移，同时I-离子则向相反方向迁移。这导致氯碘化物钙钛矿薄膜中的Cl-和I-离子缺乏，因此需要进行卤素钝化处理。
为此，研究小组在HTL顶部沉积了两种钝化剂——4-氯苄基氯化铵（Cl）和4-氯苄基溴化铵（Br）。他们测试了三种不同的组合比例：50% Cl & 50% Br、75% Cl & 25% Br 和 100% Cl & 0% Br，并与没有钝化剂的对照组进行了比较。
结果与讨论
实验结果显示，75% Cl & 25% Br 的组合表现最佳，冠军电池的功率转换效率（PCE）达到了21%，而对照组的PCE仅为18.31%。具体参数如下：
- 冠军电池（75% Cl & 25% Br）
- 开路电压 (Voc)：1.12 V
- 短路电流密度 (Jsc)：25.69 mA/cm²
- 填充因子 (FF)：72.78%
- 对照电池
- Voc：1.06 V
- Jsc：24.37 mA/cm²
- FF：70.91%
此外，50% Cl & 50% Br 组合的冠军电池PCE为19.81%，而100% Cl & 0% Br 组合的PCE为19.23%。
稳定性测试
为了评估电池的长期稳定性，研究团队对未封装的样品进行了测试。结果显示，对照电池在大约78小时后保留了初始效率的约67.2%，而冠军电池在同一时间内保留了初始效率的约88%。这种改进主要归因于钙钛矿/HTL界面上的大体积有机阳离子，这些阳离子能够有效阻挡水分侵入。
结论
这项研究表明，通过优化钝化剂的比例，可以显著提高氯碘基钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。这一成果为未来高效稳定的钙钛矿太阳能电池的发展提供了新的思路和技术支持。
