中科院青島能源所提出制備高效銫基鈣鈦礦太陽能電池的新策略

3月11日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所最新科研成果提出制備高效銫基鈣鈦礦太陽能電池的新策略，相關(guān)研究成果近日已發(fā)表在Joule《焦耳》期刊上，論文第一作者為該所的科研助理孫秀紅，通訊作者為該所逄淑平研究員、崔光磊研究員、邵志鵬副研究員與北京工業(yè)大學(xué)的盧岳教授。

鈣鈦礦太陽能電池經(jīng)過十幾年發(fā)展已成為一種極具商業(yè)潛力的光伏技術(shù)，目前其光電轉(zhuǎn)換效率達到商業(yè)化晶硅電池的水平，大面積制備技術(shù)路線也日漸成熟。穩(wěn)定性問題成為制約鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的最主要因素。CsPbI3無機鈣鈦礦材料采用無機離子取代傳統(tǒng)的易分解的有機組分(甲胺MA+或甲脒 FA+等)， 可以顯著的提高鈣鈦礦電池?zé)岱纸鉁囟?，降低光致離子遷移，具有實現(xiàn)高效、高穩(wěn)定性鈣鈦礦器件的潛力，是用于太陽能電池尤其是疊層電池的理想材料體系。然而，CsPbI3受制于鈣鈦礦容忍因子較小限制，依然存在相穩(wěn)定性問題。并且這類材料中的缺陷濃度較高，電池內(nèi)部存在嚴重的載流子非輻射復(fù)合損失，降低了電池的輸出電壓。

對此，中科院青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在CsPbI3無機鈣鈦礦方向進行了深入研究。采用X位部分Br摻雜，制備CsPbI2Br，可以顯著提高鈣鈦礦的容忍因子，提高其相穩(wěn)定性，然而會引起帶隙增加，降低器件的太陽光利用率。采用A位摻雜可以在有效提高相穩(wěn)定性的同時，降低CsPbI3鈣鈦礦帶隙，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

通過具有較大離子半徑的二甲胺(DMA+)或FA+替代無機鈣鈦礦中的部分銫離子，可以有效穩(wěn)定其鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)，同時降低其帶隙。但由于薄膜中依然存在大量缺陷，嚴重影響光生載流子的高效分離和傳輸?；诖?，該中心提出在薄膜內(nèi)部構(gòu)建本體異質(zhì)結(jié)的思路，通過縮短光生載流子在半導(dǎo)體層中停留時間來減小載流子的復(fù)合損失。但如何實現(xiàn)穩(wěn)定的鈣鈦礦與鈣鈦礦的異質(zhì)結(jié)又是另一難題，因為傳統(tǒng)的有機-無機雜化鈣鈦礦材料中存在顯著的離子遷移，這種離子遷移會使鈣鈦礦成分趨向于均勻分布。而銫基鈣鈦礦較大的離子遷移勢壘滿足于構(gòu)建體相異質(zhì)結(jié)的先天條件。最終，科研人員通過中間相調(diào)控的策略，實現(xiàn)了n型導(dǎo)電的銫基鈣鈦礦摻雜相和p型導(dǎo)電的非摻雜相的穩(wěn)定本體異質(zhì)結(jié)。

結(jié)果表明，p型和n型鈣鈦礦半導(dǎo)體的有效接觸明顯促進了電子和空穴的分離與運輸，減少了在電池界面處的載流子積累。得益于異質(zhì)結(jié)策略的有效性，提高了電池的開路電壓，降低了電池中存在的回滯效應(yīng)，電池的光照運行穩(wěn)定性隨之帶來了顯著的改善。

體異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池中載流子傳輸與器件性能示意圖(圖/孫秀紅 邵志鵬?逄淑平)

關(guān)鍵詞： 太陽能電池 離子遷移 相穩(wěn)定性 光電轉(zhuǎn)換效率 光生載流子