我校郝玉英教授团队在《Advanced Energy Materials》上发表太阳能光伏技术领域最新研究成果

近日，我校物理与光电工程学院郝玉英教授团队在太阳能光伏技术领域取得重要研究进展，研究成果以“Gradient Facet Orientation Engineering Via Mg₃Sb₂ Quantum Dots for High-Performance and Stable Perovskite Solar Cells”为题发表在国际著名学术期刊《Advanced Energy Materials》（IF:26.0，中科院一区TOP）。太原理工大学是该论文的唯一署名单位，博士生李康宁为论文第一作者，郝玉英教授、赵敏副教授和张晨曦副教授为论文通讯作者。

太阳能电池作为一种清洁可再生能源技术，对解决人类社会面临的能源和环境问题具有重要战略意义，是我国实现“双碳”目标的重要途径之一。钙钛矿由于其带隙可调、高光吸收系数和优异的载流子传输性能而成为下一代光伏材料有力竞争者。传统溶液法制备的多晶钙钛矿薄膜晶面取向随机，易造成缺陷密度高、离子迁移严重等问题，严重制约了光伏器件效率和稳定性。钙钛矿薄膜特定晶面取向的精确调控已成为该领域的核心难题。

针对上述挑战，物理与光电工程学院的李康宁博士采用蚀刻剥离法制备的Mg₃Sb₂量子点（QDs）对钙钛矿湿膜进行后处理，构建了兼具梯度晶面取向（GFO）与高结晶度的钙钛矿薄膜。该GFO结构完美适配n-i-p构型钙钛矿太阳能电池的电荷传输。最终，刚性器件实现了25.18%的光电转换效率，未封装器件在AM 1.5G光照1000小时后保持75%初始效率，相应的柔性器件获得了24.03%的效率且展现了优异的机械弯折稳定性。

研究结果表明，Mg₃Sb₂ QDs对钙钛矿电池的优化改善主要表现在以下几个方面：（1）Mg₃Sb₂ QDs在极性和非极性溶剂中均表现出优异的分散稳定性，同时保持了高载流子迁移率，其超小尺寸（厚度约为1.4 nm，横向尺寸约为2.6 nm）可为钙钛矿重结晶提供有利的成核位点；（2）量子点中的Mg²⁺、Sb³⁺分别与钙钛矿中的I⁻、Pb²⁺发生强相互作用，从而有效钝化了钙钛矿的缺陷，减少了载流子的非辐射复合损耗；（3）利用Mg₃Sb₂ QDs与钙钛矿不同晶面间的结合能差异，可有效调控结晶取向，从而获得顶部以（111）晶面为主导、底部以（001）晶面为主导的GFO结构。顶部（111）面富集的结构不仅具备高空穴迁移率、高离子迁移活化能和低功函数，且能级与空穴传输层高度匹配，界面接触优良，同时显著增强了钙钛矿薄膜的环境稳定性；而底部（001）面主导的区域则具有低电子陷阱态密度和高电子迁移率。这种与n-i-p型钙钛矿太阳能电池高度匹配的结构优化了载流子的提取与传输路径，有效抑制了界面非辐射复合和离子迁移，从而全面提升了器件的光电转换效率及长期稳定性。

本研究开辟了合金量子点在精细调控钙钛矿晶面取向方面的应用，协同优化了n-i-p型钙钛矿器件的光电性能和稳定性，为钙钛矿光伏技术研发提供了一种有价值的解决方案。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.71181