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光學工程
半導體所研制出高效平面異質結鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池是近幾年興起的一類具有巨大應用前景的太陽能電池,它具有光電轉換效率高、成本低以及制備工藝簡單等突出優點。經過幾年的快速發展,鈣鈦礦太陽能電池的效率已從初始的3.8%迅速提高到22.1%,已接近或超過傳統高效薄膜太陽能電池(如銅銦鎵硒或碲化鎘等),進一步發展,可與硅及砷化鎵等單晶太陽能電池媲美。

目前高效的鈣鈦礦電池均采用低溫致密TiO2與高溫多孔TiO2相結合的介孔結構作為電子傳輸層,但介孔層制備溫度較高、工藝過程較為復雜,不利于大規模生產。近年來,人們發現有機/無機雜化的鈣鈦礦材料具有幾微米甚至長達上百微米載流子擴散長度,遠高于傳統的有機半導體幾十納米的擴散長度。鑒于鈣鈦礦自身優異的電荷傳輸能力,可完全不需要借助高溫燒結TiO2介孔層來輔助電子傳輸,制備簡單平面異質結鈣鈦礦太陽能電池。

平面結構鈣鈦礦電池具有制備工藝簡單、低溫制備且與柔性器件制備工藝兼容等優勢。但人們廣泛研究的基于TiO2致密層的鈣鈦礦電池存在嚴重“電滯”現象,在反向測量(從開路電壓掃到短路電流)條件下能獲得較高效率,但正向測量(從短路電流掃到開路電壓)時效率較低,使得人們不能正確評判這類電池光電轉換效率。“電滯”現象一直困擾平面鈣鈦礦電池研究,導致該現象可能的原因包括:鈣鈦礦層中離子移動、鈣鈦礦/電子傳輸層TiO2界面缺陷或能級排布差異等形成的勢壘,以及TiO2低的電子遷移率等阻礙了電子從鈣鈦礦到電子傳輸層的有效輸運。近來,人們利用具有離子鈍化作用及快速電荷轉移能力的富勒烯材料改性TiO2致密層表面,增強了電子的抽取,有效減少了“電滯”現象。但富勒烯存在價格昂貴、在空氣中不穩定等缺點。因此,開發一類低成本、穩定的具有強電子抽取能力的電荷傳輸層至關重要。

最近,中國科學院半導體研究所材料科學重點實驗室研究員游經碧與張興旺等利用比TiO2導帶能級深、遷移率高的無機穩定的金屬氧化物SnO2取代傳統的TiO2作為鈣鈦礦電池的電子傳輸層,降低了鈣鈦礦與電子傳輸層之間的勢壘,加快電子從鈣鈦礦到電子傳輸層的轉移,減少了界面電荷積累。他們研制出了基于SnO2電子傳輸層的平面異質結鈣鈦礦電池(圖1a),實驗證實了SnO2可顯著提高電子從鈣鈦礦吸收層到電子傳輸層的轉移速率(圖1b),所制備的電池基本無“電滯”現象(圖1c)。此外,借助鈣鈦礦層退火形成過程中稍過量加熱生成少量PbI2鈍化鈣鈦礦晶界的作用,減少復合過程,獲得了光電轉換效率高達19.9±0.6%的平面異質結鈣鈦礦電池,并得到了美國光伏論證機構Newport的權威認證。這些結果展示了獲得高效無“電滯”平面異質結鈣鈦礦電池是完全可行的,為制備高效無電滯鈣鈦礦太陽能電池提供了新的方向和思路,有力推進了鈣鈦礦太陽能電池的進一步發展。相關結果發表在最近出版的《自然-能源》期刊上(Q. Jiang et al., Nature Energy, 1, 16117 (2016))。

博士生蔣琦是該文章的第一作者,游經碧與張興旺是該論文的通訊作者。該工作得到了中組部青年千人計劃、國家重點研發計劃、北京市科委以及國家自然科學基金委員會的經費支持。

圖1:(a)高效平面異質結鈣鈦礦電池掃描電子顯微鏡截面圖,(b)鈣鈦礦在不同界面上的穩態熒光譜以及(c)利用SnO2納米顆粒作為電子傳輸層的鈣鈦礦電池在正向測量和反向測量條件下的電流-電壓曲線。


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