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，相關研究成果近日已發表在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大學的盧岳教授。

鈣鈦礦太陽能電池經過十幾年發展已成為一種極具商業潛力的光伏技術，目前其光電轉換效率達到商業化晶硅電池的水平，大面積制備技術路線也日漸成熟。穩定性問題成為制約鈣鈦礦太陽能電池發展的最主要因素。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熱分解溫度，降低光致離子遷移，具有實現高效、高穩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，依然存在相穩定性問題。并且這類材料中的缺陷濃度較高，電池內部存在嚴重的載流子非輻射復合損失，降低了電池的輸出電壓。

對此，中科院青島能源所固態能源系統技術中心在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定性的同時，降低CsPbI3鈣鈦礦帶隙，提高光電轉換效率。

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，可以有效穩定其鈣鈦礦相結構，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。基于此，該中心提出在薄膜內部構建本體異質結的思路，通過縮短光生載流子在半導體層中停留時間來減小載流子的復合損失。但如何實現穩定的鈣鈦礦與鈣鈦礦的異質結又是另一難題，因為傳統的有機-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建體相異質結的先天條件。最終，科研人員通過中間相調控的策略，實現了n型導電的銫基鈣鈦礦摻雜相和p型導電的非摻雜相的穩定本體異質結。

結果表明，p型和n型鈣鈦礦半導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。得益于異質結策略的有效性，提高了電池的開路電壓，降低了電池中存在的回滯效應，電池的光照運行穩定性隨之帶來了顯著的改善。

體異質結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)

關鍵詞： 太陽能電池 離子遷移 相穩定性 光電轉換效率 光生載流子