第一作者：Ning Li
通讯作者：Zhaolai Chen, Xutang Tao
通讯单位：山东大学
近年来，金属卤化物钙钛矿单晶由于具有比钙钛矿多晶薄膜更好的光电性质和稳定性而成为光伏应用的新兴候选材料。然而，与体块单晶相比，微米厚的钙钛矿薄单晶作为有效载流子收集的必要条件，仍然存在高的陷阱密度，导致单晶钙钛矿太阳能电池出现较强的非辐射复合以及较大的开路电压和效率损失。目前，空间限制策略被广泛应用于生长微米厚的钙钛矿单晶。在这种方法中，由于钙钛矿和空穴传输层之间的晶格失配，在界面处不可避免地产生大量缺陷。其次，由于基底与溶剂化离子的相互作用，限制了离子在限域空间内的扩散速率，导致晶体生长界面离子补充不均匀，从而进一步增大了微米厚钙钛矿单晶的体缺陷密度。因此，进一步降低钙钛矿单晶的表界面以及体缺陷密度有利于提升单晶钙钛矿电池的开路电压及光电转换效率。
有鉴于此，山东大学陈召来和陶绪堂团队设计空穴提取界面使MAPbI3单晶钙钛矿太阳能电池效率超过22%并具有出色的室内响应的研究成果。疏水性P3HT分子被引入到空穴传输层中，与晶体表面未配位的Pb2+相互作用并促进离子在限域空间内的扩散，从而生长更高质量的钙钛矿薄单晶。表界面和体缺陷密度的降低以及非辐射复合的抑制，促进了单晶电池的电荷传输和提取。最终器件实现了1.13 V的高开路电压以及22.1%的光电转换效率，这是MAPbI3单晶钙钛矿太阳能电池的最高效率。此外，在掺入P3HT后，降低的缺陷密度和抑制的载流子复合导致单晶太阳能电池具有优异的弱光响应，在1000 lux照射下获得了39.2%的室内光伏效率。
研究人员通过空间限域法在PTAA:P3HT疏水空穴传输基底上直接生长钙钛矿薄单晶，单晶尺寸达几个毫米（图一）。疏水性P3HT分子的引入在钝化表面缺陷的同时促进了前驱体离子在狭窄空间内的扩散速率，晶体高分辨XRD摇摆曲线的半峰宽的降低表明晶体质量的进一步提高（图二）。同时，单晶薄膜缺陷密度的降低使得界面载流子的传输和收集得到改善，基于此单晶组装的单晶钙钛矿电池实现了开路电压以及效率的提升（图三、四）。并且，结合光生载流子在器件内的分布以及外量子效率在长波段的提升进一步验证了单晶器件性能的提高与改善的空穴提取相关（图五）。
图一：(a) 单晶生长示意图；（b）P3HT与钙钛矿相互作用；单晶的（c）光学照片，（d）截面SEM，（e）XRD；
图二：（a）不同空穴传输层的表面接触角；（b）MAPbI3溶液在限域空间内的扩散过程；（c）（d）单晶高分辨X射线摇摆曲线；
图三：（a）MAPbI3单晶稳态PL及TRPL光谱；（c）（d）（e）单晶薄膜瞬态反射光谱；
图四：单晶钙钛矿太阳能电池光伏性能。（a）单晶电池结构示意图；（b）单晶器件在AM 1.5G照明下的J-V曲线。（c）最佳器件在最大功率点的稳态光电流和效率输出；（d）多个器件的PCE分布统计；（e）单晶电池的光强与VOC关系；f）单晶器件在弱光1000lux照度下的J-V曲线；
图五：（a）（b）单晶电池外量子效率；（c）（d）光生载流子在器件内的分布示意图；
参考文献：
DOI:10.1002/aenm.202103241.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103241