1-3、基于材料基因技术的高效稳定钙钛矿电池材料

的设计与器件研究

魏苏淮¹*，邓惠雄², 尹万健³，唐江⁴，游经碧²，隋曼龄⁵

1.北京计算科学研究中心，2.中国科学院半导体研究所，3.苏州大学能源学院 能源与材料创新研究院，

4.华中科技大学，5.北京工业大学

摘要：研制高效、稳定、环保、低成本的太阳能电池材料,发展光伏发电技术，对于促进经济发展、解决环境污染等问题具有重大战略意义。以CH₃NH₃PbI₃为代表的有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池近来发展迅速，有望大幅降低光伏发电成本、改变当前光伏发电难以在成本上与传统能源发电竞争的劣势。钙钛矿太阳能电池自2009年首次报道以来，其效率爆发式增长，认证效率已达23.3%，但其稳定性差，且含有毒性元素铅等缺点, 极大地阻碍了其大规模商业化应用。因此，开发出高效、稳定、非铅的钙钛矿电池材料，是目前钙钛矿太阳能电池研究的核心任务。

基于此目标，我们寻求更为先进的研究思路，突破传统的“试错”式材料研发模式，以材料基因组思想为指导，以寻找高效稳定的钙钛矿太阳能电池材料基因为出发点，建立理论指导-实验验证的钙钛矿太阳能电池材料高效研发模式。通过高通量理论计算与材料设计和筛选，通过比较研究卤化物钙钛矿、卤化物双钙钛矿、硫族钙钛矿、硫族双钙钛矿等多种类型钙钛矿材料的稳定性与结构基因因子的关系，我们寻找出了钙钛矿稳定性的基因因子，其判断钙钛矿材料稳定性的正确率可达到90%。同时，我们搭建了高通量单晶和薄膜生长设备，及高通量薄膜光电测试设备，利用这些高通量设备成功合成出了多种非铅高稳定性的双钙钛矿单晶材料。在材料理论与器件模拟指导下，通过界面设计优化，并结合微纳尺度原位观测等技术手段，我们实现了全无机钙钛矿太阳能电池稳定性超过500小时，光电转换效率达14.67%，目前这是世界上认证的全无机钙钛矿电池的最高效率。2018年，我们又创造了有机-无机杂化钙钛矿电池效率23.3%新的世界纪录，并成为中国首次写入国际太阳能电池效率认证权威机构美国再生能源国家实验室发表的最高效率发展路径图，见图1。

图1. 中国科学院半导体研究所游经碧等实现了钙钛矿电池效率23.3%新世界纪录。

通讯作者：魏苏淮，010-56981838 ，Email: suhuaiwei@csrc.ac.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.103