北京大學物理學院 '極端光學創新研究團隊' 的朱瑞研究員, 龔旗煌院士與合作者展開研究, 首次採用 '胍鹽輔助二次生長' 技術調控鈣鈦礦半導體特性, 在提升反式結構鈣鈦礦太陽能電池性能方面取得了突破性成果, 創下了該類太陽能電池器件效率的最高記錄. 相關研究於2018年6月29日在國際頂級學術期刊《科學》(Science)上發表(Enhanced photovoltage for inverted planar heterojunction perovskite solar cells, Science, Vol. 360, Issue 6396, pp. 1442-1446, DOI: 10.1126/science.aap9282).
隨著人類社會的不斷進步, 由工業生產所導致的能源和環境問題日益凸顯, 化石燃料(石油, 煤炭, 天然氣等)的有限儲量及其燃燒帶來的全球變暖等問題促使人們不斷地尋找和開發綠色可再生的新型能源. 太陽能具有清潔, 無汙染, 分布廣泛且能量充分的優勢, 是有希望獲得大規模應用的新型能源之一. 太陽能電池利用光生伏特效應將太陽光能直接轉化為電能, 受到來自學術界和工業界的廣泛關注和研究, 也得到了各國政府的大力支援.
近年來, 鈣鈦礦太陽能電池以其製備簡單, 成本低和效率高的優勢迅速崛起成為新型光伏技術領域的新寵, 其光電轉換效率在短短八年內實現了跳躍式增長, 目前報道的最高效率已達到商業化單晶矽太陽能電池的效率水平, 表現出極大的優勢和應用潛力.
鈣鈦礦太陽能電池分為正式(n-i-p)和反式(p-i-n)兩種器件結構. 相比於正式器件, 反式結構器件因製備工藝更加簡單, 可低溫成膜, 無明顯回滯效應, 適合與傳統太陽能電池(矽基電池, 銅銦鎵硒等)結合製備疊層器件等優點, 受到越來越多的關注. 但是, 反式結構器件也存在一些顯著不足, 例如, 開路電壓與理論值差距較大, 光電轉換效率相對偏低, 這主要是由於器件中存在大量的缺陷所導致. 這些缺陷主要存在於鈣鈦礦活性層中, 鈣鈦礦活性層與電荷收集層界面處, 造成了光生載流子的非輻射複合, 進而致使能量損失嚴重, 最終限制了開路電壓的提升和光電轉換效率的改善, 制約了該類結構器件的發展.
針對反式結構鈣鈦礦太陽能電池在光電轉換效率上存在的瓶頸, 朱瑞研究員, 龔旗煌院士與合作者展開研究, 首次提出了 '胍鹽輔助輔助二次生長' 方法, 開創性地實現了鈣鈦礦薄膜半導體特性的調控, 顯著降低了器件中非輻射複合的能量損失, 在提升器件開路電壓方面取得了突破, 首次在反式結構器件中獲得了超過1.21 V的高開路電壓(材料帶隙寬度~1.6 eV). 同時, 在不損失光電流和填充因子等性能參數的情況下, 顯著提高了反式結構鈣鈦礦電池的光電轉換效率——實驗室最高效率達到21.51%. 經中國計量科學研究院認證, 器件的光電轉換效率也高達20.90%, 這是目前反式結構鈣鈦礦太陽能電池器件效率的最高記錄. 該結果為提升反式鈣鈦礦太陽能電池器件效率, 推進該類新型光伏器件的應用化發展提供了新思路. 這種製備技術也有望進一步拓展到鈣鈦礦疊層太陽能電池以及鈣鈦礦發光器件中, 具有潛在的應用前景和商業價值.
圖1. 左: 反式結構鈣鈦礦太陽能電池. 右: 電池器件在正向電壓 (2 V) 下的發光照片 (表明電池器件具有較低的非輻射複合能量損失) .
