自2009年以來，有機無機雜化鈣鈦礦材料在能源、光伏、化學(xué)、材料物理等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，其具有的帶隙連續(xù)可調(diào)、光吸收系數(shù)高、載流子擴散距離長、制備方法簡單等優(yōu)異特性，使它成為發(fā)展下一代光伏器件的理想光吸收材料。僅僅歷經(jīng)不到10年的發(fā)展，鈣鈦礦薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率記錄就已經(jīng)迅速增至23.3%，發(fā)展速度為各類太陽能電池之最。

在化學(xué)組成上，有機無機雜化鈣鈦礦材料具有ABX3型的晶體結(jié)構(gòu)。其中A位甲脒離子含量高于95%，同時X位溴離子含量低于5%的FAPbI3基鈣鈦礦材料，其帶隙低于1.55eV，在已經(jīng)發(fā)展的各種鈣鈦礦材料成分配比中最接近于單節(jié)太陽能電池的理想帶隙。目前，兩步法制備的太陽能電池器件長時間工作穩(wěn)定性要普遍低于一步法，這是由于傳統(tǒng)兩步法制備難以獲得含有堿金屬離子的鈣鈦礦薄膜。

由俞大鵬院士領(lǐng)導(dǎo)的北京大學(xué)物理學(xué)院“納米結(jié)構(gòu)與低維物理”研究團隊在這一問題上取得系列進展。該團隊趙清教授與合作者以傳統(tǒng)兩步法為基礎(chǔ)，設(shè)計提出了鈣鈦礦籽晶誘導(dǎo)生長的兩步旋涂法，通過在碘化鉛薄膜中引入含銫鈣鈦礦籽晶，使籽晶提供后續(xù)鈣鈦礦生長的成核位點，引導(dǎo)高質(zhì)量薄膜生長，解決兩步法中無機陽離子的有效摻雜問題。

通過籽晶誘導(dǎo)，可實現(xiàn)對成核和晶粒大小的精確調(diào)控，有效摻入無機Cs離子，器件的能量轉(zhuǎn)化效率提升至21.7%。同時，器件在AM1.5G太陽光下持續(xù)工作140小時后，仍然保持超過60%的初始效率，遠優(yōu)于傳統(tǒng)兩步法數(shù)小時的穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以“Perovskiteseedinggrowthofformamidinium-lead-iodide-basedperovskitesforefficientandstablesolarcells”為題發(fā)表于NatureCommunications【NatureCommunications9,1607(2018).DOI:10.1038/s41467-018-04029-7】。北京大學(xué)博士生趙怡程、加拿大多倫多大學(xué)博士后譚海仁和比利時魯汶大學(xué)博士后袁海峰為該研究論文的共同第一作者。多倫多大學(xué)的EdwardH.Sargent教授和趙清為共同通訊作者。

趙清課題組還設(shè)計了氯化銫增強碘化鉛前驅(qū)液兩步法，在進一步提高鈣鈦礦薄膜中堿金屬離子含量的同時，減緩鈣鈦礦的成核、生長過程，獲得了具有更大晶粒、更低缺陷態(tài)密度的鈣鈦礦多晶薄膜?；诖酥苽涞玫降钠矫嬲解}鈦礦薄膜太陽能電池器件具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率(22.1%)，器件的長時間工作穩(wěn)定性也得到了提高，在AM1.5G太陽光下工作70小時后，依然能夠保持90%的初始效率。

該研究在兩步法制備鈣鈦礦薄膜與太陽能電池器件方面，為堿金屬離子的均勻高效摻入、器件性能的提高等問題提供了新的思路。相關(guān)研究成果以“EfficientPerovskiteSolarCellsFabricatedThroughCsCl-EnhancedPbI2PrecursorviaSequentialDeposition”為題，發(fā)表于國際著名期刊AdvancedMaterials【AdvancedMaterials1803095(2018).DOI:10.1002/adma.201803095】。北京大學(xué)博士生李琪為該研究論文的第一作者，趙清為通訊作者。以上研究得到了國家自然科學(xué)基金委、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、“2011計劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的資金支持。