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• 首次在钙钛矿光伏器件中构建了面异质结
• 结合了钙钛矿的（001）和（111）面取向的优势
• 实现了蒸发法制备的钙钛矿太阳能电池的高效率（24.92%）和高运行稳定性（2000小时）![]()
多晶钙钛矿薄膜的表面具有不同的面取向，这些面取向导致了多样化的化学和电子结构。这些面取向的变化体现在光电特性的差异上，包括能级排列和载流子迁移率。异质结结构是传统光伏器件中的基本元素，它涉及将两种具有独特光电特性的不同组件进行策略性组合。不同面取向上的光电特性异质性为创建能够提升器件性能的结提供了机会。北京大学赵清&清华大学易陈谊研究团队通过整合两种表现出不同晶体面（001）/（111）的薄膜，在基于钙钛矿的光伏器件中设计了一种双层面异质结（FHJ）。该面异质结器件的掩埋界面表现出有效的II型能带排列。面异质结将蒸发法制备的钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）提升至24.92%。在最大功率输出下运行2000小时后，目标器件的初始性能保持了91.7%，显著提高了其运行稳定性。(001)面和(111)面主导薄膜的光伏性能比较
FAPbI3钙钛矿多晶薄膜中常见的面取向是(001)、(111)和(011)。由于不同面上原子排列和间距的不同，表面化学状态与面取向直接相关。已经有报道在钙钛矿单晶颗粒中的面依赖性异向性，但在择优取向的多晶薄膜中仍然缺乏统一的认识。尽管诱导优先生长(001)取向薄膜的方法已有大量报道，但生长(111)或其他取向主导的薄膜仍然充满挑战。此外，引入添加剂诱导结晶来使得薄膜择优取向，其中所引入化学物质可能会对器件光伏性能造成干扰。
图1. (001)面和(111)面主导的钙钛矿太阳能电池研究团队首次通过两步互扩散溶液法，在不引入任何添加剂的情况下，通过精细的成分调制，分别成功定制了(111)面和(001)面主导的FAPbI3钙钛矿薄膜。所得钙钛矿薄膜的X射线衍射（XRD）光谱显示出非常高的面纯度（图1C），尤其是(111)面。然后，研究团队比较了具有n-i-p结构的、由ITO/SnO2/钙钛矿/spiro-OMeTAD/Au组成的不同面主导钙钛矿太阳能电池（PSC）的光伏性能（图1A和1B）。图1D展示了具有(001)面和(111)面主导薄膜的PSC的J-V特性，光伏参数的统计结果如图1E、1F所示。(001)面主导器件的平均开路电压（VOC）、短路电流（JSC）和填充因子（FF）值与(111)面主导器件几乎相同（1.074 V对比1.070 V，24.08 mA/cm²对比24.20 mA/cm²，81.25%对比81.37%），导致光电转换效率（PCE）没有显著差异（20.98%对比21.09%）。值得注意的是，为了直接比较PSC中不同面的光伏性能，这里没有对钙钛矿薄膜进行后处理。结果表明，高光伏性能归因于具有一种择优生长取向的高质量薄膜，而不是取决于(001)或(111)面的选择性存在。为了评估面异质结（FJH）对光伏器件性能可能产生的影响，研究团队决定通过堆叠分别由(001)面和(111)面主导的钙钛矿薄膜两层来构建FJH。为了克服溶液法中极性溶剂对底层薄膜破坏的挑战，采用了溶液法与蒸发法相结合的策略来实现面异质结。具体而言，首先通过两步互扩散方法制备了具有(111)面的钙钛矿薄膜（在图2A中标记为①②），然后使用混合蒸发方法在其上沉积了(001)面层（在图2A中标记为③④）。研究团队使用了XRD来检查所得薄膜的晶体结构。结果表明，(111)层和(001)层是彼此独立生长的，(111)层作为后续生长(001)层的基底，这使得FJH的发展能够利用这两个面的独特性质。研究团队进一步采用掠入射XRD（GIXRD）来探索结的面结构，证实了钙钛矿光伏领域中FJH的成功构建。此外，FJH薄膜的构建还有助于缓解埋藏界面的应力。此外，还对不同入射角（从0.5°到4°）的钙钛矿薄膜进行了基于同步加速器的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）。结果表面，FJH保留了异质结两侧原有的面取向。通过扫描电子显微镜（SEM）对薄膜的表面形态进行了研究。底部通过溶液法制备的（111）取向薄膜，其厚度约为120纳米，展现出高度均匀且致密的晶粒（图3A）。（111）取向的钙钛矿对后续钙钛矿薄膜的生长有轻微影响。当在（111）取向层上沉积时，通过蒸发法制备的（001）取向层表现出平均晶粒尺寸约为1.0毫米（图3C），略大于直接沉积在FTO基底上的对照薄膜的晶粒尺寸（0.8毫米）（图3B）。图3D和图3E分别展示了对照薄膜和FHJ薄膜的横截面SEM图像。蒸发法制备的（001）薄膜厚度为600纳米，而FHJ薄膜的厚度为720纳米。研究团队使用飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）检查了FHJ薄膜的垂直元素分布，为面异质结的存在提供了有力证据。图4. FHJ的光电特性表征
(A) (111)面、(001)面和FHJ钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱。
(B和C) 对照组和FHJ薄膜的超快纳秒瞬态吸收光谱。
(D) 在钙钛矿带边探测的对照组和FHJ样品的瞬态吸收信号衰减。
(E) 带有FHJ的钙钛矿太阳能电池（PSCs）中各层的能级。能级排列以真空能级为参考。
(F) 沉积在玻璃上（分别标记为“Con”和“FHJ”）和SnO2/FTO基底上（分别标记为“SnO2/Con”和“SnO2/FHJ”）的对照组和FHJ薄膜的光致发光量子产率（PLQY）。
光伏性能研究：钙钛矿太阳能电池（PSCs）
为了研究钙钛矿FHJ（功能异质结）在光伏器件中的优势，研究团队分别使用蒸镀的(001)钙钛矿作为对照组，以及(001)/(111)面的钙钛矿作为目标光吸收层，制备了n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池（PSCs）。对照组器件在反向扫描和正向扫描下分别获得了23.67%和23.58%的最佳光电转换效率（PCE）（见图5A和5B）。目标FHJ PSC的冠军器件在反向扫描下显著提升至24.92%，正向扫描下提升至24.54%，这是迄今为止通过气相沉积获得的钙钛矿光伏器件中报道的最高PCE之一。光伏性能的提升主要归因于开路电压（VOC）和填充因子（FF）的增加（见图5C）。这可以归因于FHJ中钙钛矿薄膜内部的梯度能级排列，促进了掩埋界面的载流子传输。为了探索光伏参数增强的原因，研究团队进行了光强依赖的VOC测量。由于缺陷相关复合的减少，目标器件表现出显著降低的理想因子范围，从1.391到1.168（见图5D）。此外，与对照组器件相比，FHJ器件上观察到更强且更稳定的电致发光（EL），表明显著抑制了与缺陷相关的非辐射复合（见图5E、5F）。仅电子器件的空间电荷限制电流（SCLC）测量表面目标样品的陷阱密度降低。上述结果表明，FHJ通过II型能级排列在提高载流子传输效率和减少载流子复合方面发挥了关键作用，从而有助于光伏器件的卓越性能。Perovskite facet heterojunction solar cells
https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.11.004
