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有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦以其光吸收系數(shù)高、載流子擴(kuò)散距離長、制備方法簡單、帶隙連續(xù)可調(diào)等特性，被廣泛認(rèn)為是發(fā)展下一代光伏器件的理想材料。自2009年以來，僅僅歷經(jīng)10年的發(fā)展時(shí)間，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到25.2%，發(fā)展速度為各類太陽能電池之最。但是，由于鈣鈦礦太陽能電池當(dāng)前面臨的熱穩(wěn)定性、長時(shí)間工作穩(wěn)定性等問題，嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展。針對此問題，北京大學(xué)物理學(xué)院趙清教授課題組利用材料工程方法，設(shè)計(jì)提出了富溴鈣鈦礦籽晶誘導(dǎo)生長兩步法，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜中溴離子的高效摻雜，有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的長時(shí)間工作穩(wěn)定性。 通過在碘化鉛薄膜中引入微米級富溴鈣鈦礦籽晶，一方面提供后續(xù)鈣鈦礦生長所需的成核位點(diǎn)、誘導(dǎo)薄膜生長、提高薄膜生長質(zhì)量，另一方面為鈣鈦礦生長提供充足的溴元素，解決兩步法中溴離子難以有效摻雜的問題。通過改變鈣鈦礦籽晶的添加量，可以實(shí)現(xiàn)對鈣鈦礦成核、晶粒大小、缺陷態(tài)密度等的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對最終鈣鈦礦成分與帶隙的精準(zhǔn)控制。測試表明，利用富溴鈣鈦礦籽晶誘導(dǎo)生長兩步旋涂法制備得到的鈣鈦礦太陽能電池器件，其能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到21.5%；更為重要的是，其長時(shí)間工作穩(wěn)定性得到了顯著提高，在AM1.5G太陽光下持續(xù)工作500小時(shí)后，仍然能保持超過80%的初始效率。這一成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)兩步法僅有的數(shù)小時(shí)穩(wěn)定性。該研究表明，溴元素對鈣鈦礦材料長時(shí)間工作穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，同時(shí)，提供了一條簡單、高效、穩(wěn)定的基于鈣鈦礦兩步法的溴摻雜方法。此研究將為鈣鈦礦領(lǐng)域內(nèi)鹵素離子的均勻高效摻入、器件長時(shí)間工作穩(wěn)定性的提高等問題提供了新的思路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Advanced Energy Materials 9, 1902239 (2019),并被選為當(dāng)期封底圖片。北京大學(xué)博士生李琪為該研究論文的第一作者，趙清教授為通訊作者。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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。

鋰電池已經(jīng)在手機(jī)、電動車和大規(guī)模儲能廣泛應(yīng)用。商業(yè)化的鋰離子電池正極材料主要是依賴于價(jià)格相對昂貴的鈷（Co）和鎳（Ni）元素的鈷酸鋰（LiCoO2）和高鎳三元（NCM）正極。