学术报告

研究背景与发表信息

本文作者包括Weijie Chen, Shuo Liu, Qingqing Li, Qinrong Cheng等，分别隶属于Soochow University（苏州大学）多个实验室与学院、Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences（中国科学院化学研究所）等研究机构。这项研究发表于《Advanced Materials》期刊，文章参考号为：10.1002/adma.202110482，发表时间为2022年。本文研究的主题集中在通过高极化有机铁电材料掺杂来增强钙钛矿太阳能电池的内建电场（Built-in Electric Field, BEF），实现超过24%的光电转化效率（Power Conversion Efficiency, PCE）。

研究背景与目的

近十年来，金属卤化物钙钛矿材料由于其高光吸收系数、直接可调带隙以及长载流子扩散长度等优异的光电特性，受到了广泛关注。钙钛矿太阳能电池目前已实现25.7%的认证光电转化效率，在商业化光伏领域具有极大的潜力。然而，与单结太阳电池理论的Shockley-Queisser极限（33.5%）相比，现有钙钛矿电池的转换效率仍有较大的提升空间。

导致效率低于理论值的主要原因在于钙钛矿薄膜的多晶结构，其内在的浅/深缺陷引发的非辐射复合会降低载流子的提取效率。此外，钙钛矿薄膜中缺陷抑制和晶体生长调控的难度也使内建电场的有效增强成为技术挑战。现有研究表明，内建电场通过减少缺陷俘获载流子数量和增加载流子提取效率，对提高电池性能至关重要。

为了克服上述局限，本项研究尝试通过高极化有机铁电材料（Polyvinylidene Fluoride: DabcoHReO4，简称PVDF:DH）掺杂来调控钙钛矿薄膜的电场强度及结晶性，从而提高内建电场并减小非辐射复合效应。

研究流程及具体方法

1. 材料设计与制备
   本研究设计了一种高极化有机铁电材料PVDF:DH，通过混合聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride, PVDF）和高极化多轴铁电分子DabcoHReO4 (DH)制成。实验发现，DH的多轴极化特性能够诱导PVDF从非极性的α晶相转变为具有铁电特性的β晶相，从而改善铁电性能。

2. 钙钛矿薄膜生长过程中的掺杂实验
   实验采用两步法制备FA0.92MA0.08PbI3钙钛矿薄膜，并在PbI2前驱体溶液中分别掺杂PVDF、DH和PVDF:DH，通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征方法，研究PVDF:DH对钙钛矿薄膜形貌、缺陷密度及结晶特性的影响。

3. 内建电场增强实验及机理研究
   使用开尔文探针力显微镜（Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM）和Mott-Schottky分析评估PVDF:DH对器件内建电场（BEF）的增强效果。通过压电响应力显微镜（PFM），验证PVDF:DH在器件内实现的部分极化（Partial Polarization）特性及其方向性与BEF一致。

4. 器件光电性能测试
   研究制备了0.062 cm²和1 cm²面积的钙钛矿太阳能电池，分别测试了它们在添加PVDF:DH层之前和之后的光电转化效率，稳态最大功率点转换效率等重要性能指标。同时测试了器件的湿度与长期稳定性。

5. 数据分析与能量损失计算
   通过瞬态光电压（Transient Photovoltage, TPV）衰减和瞬态光电流（Transient Photocurrent, TPC）衰减实验，结合能量损失分析（Energy Loss Analysis），评估PVDF:DH在抑制非辐射复合和优化空穴-电子传输中的作用机制。

研究主要结果

1. PVDF:DH极化特性与其影响
   结果表明，PVDF:DH材料中的DH通过与PVDF形成的氢键作用，成功诱导PVDF从α相转变为β相，后者具有更强的极化特性。PVDF:DH受太阳能电池自身的BEF驱动，即可实现部分极化，且方向与器件BEF一致，从而有效增强了内建电场。

2. 钙钛矿薄膜的形貌和结晶性改善
   实验显示，掺杂PVDF:DH后，薄膜表面更加光滑，缺陷密度显著降低，晶粒尺寸增大，XRD峰强增强。同时，通过元素分布分析发现，PVDF:DH主要集中在钙钛矿晶界位置，有效减少了非辐射复合。

3. 光电性能显著提升

   • 0.062 cm²器件的光电转化效率由未掺杂时的21.10%提高至24.23%（认证效率为23.45%）。
     
   • 1 cm²器件效率从19.5%提高至22.69%，达到目前1 cm²钙钛矿太阳能电池最高水平之一。
     
   • 实验还发现，PVDF:DH作为表面偶极层，提高了能带对齐效率，进一步提升了载流子传输性能。

4. 稳定性增强
   添加PVDF:DH的器件在湿度环境和长时间光照下均表现出显著的稳定性提升。未掺杂器件仅保留66%的初始效率，而掺杂后能保留91%的效率。

结论及研究意义

本文提出了一种掺杂高极化有机铁电材料的创新方法，通过PVDF:DH的部分极化特性，构建了方向一致的辅助电场，有效增强了钙钛矿太阳能电池的内建电场，显著提高了器件效率和稳定性。

这项研究在科学和应用层面上均具有重要意义： - 科学价值：提出了通过铁电材料部分极化增强内建电场的全新机制，为钙钛矿太阳能电池性能提升提供了新的思路。 - 应用价值：实现了高效大面积钙钛矿器件的制备，在太阳能电池的商业化应用中具有重要潜力。

研究亮点

1. 首次利用高极化有机铁电材料在钙钛矿太阳能电池中实现部分极化增强BEF。
   
2. 提高了大面积钙钛矿器件的光电转化效率至22.69%。
   
3. 改善了钙钛矿薄膜的结晶特性，降低了缺陷密度，并显著增强了器件稳定性。

本研究通过有机铁电材料掺杂与极化效应，为高效稳定的钙钛矿太阳能电池设计开辟了新途径，对推动新一代光伏技术的发展具有重要意义。