我科研團隊發(fā)現(xiàn)提高全鈣鈦礦疊層太陽能電池效率新途徑
來源：科技日報 時間：2023-11-13 15:26
受訪單位供圖
北京時間11月9日凌晨，《自然》雜志在線發(fā)表了武漢大學物理科學與技術(shù)學院柯維俊教授、方國家教授團隊關(guān)于全鈣鈦礦疊層太陽能電池的最新研究成果。該團隊開發(fā)了一種采用同一分子處理的一體化摻雜策略，提升太陽能電池綜合性能。
新型金屬鹵化物鈣鈦礦是一種分子通式為ABX3的晶體材料，具有制備工藝簡單、缺陷容忍度高、吸收系數(shù)高、載流子擴散長度長等優(yōu)點，在光電子器件領(lǐng)域備受關(guān)注，被認為是下一代最具前景的光伏材料之一。
其中，單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)與傳統(tǒng)硅基電池相當，但要進一步提升其效率將越來越困難。全鈣鈦礦疊層電池可以突破單結(jié)太陽能電池的肖克利-奎伊瑟效率極限，理論效率可達44%，性能還有非常大的提升空間。
據(jù)介紹，全鈣鈦礦疊層電池由頂部的寬帶隙鈣鈦礦子電池和底部的窄帶隙鈣鈦礦子電池一體化疊加而成，而其中不夠優(yōu)異的窄帶隙鈣鈦礦子電池是其未來實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的絆腳石之一，也是該領(lǐng)域的共性挑戰(zhàn)問題。
基于此，方國家、柯維俊團隊通過天冬氨酸鹽一體化摻雜策略，同時提高了窄帶隙鈣鈦礦子電池的效率和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)效率27.62%（第三方權(quán)威認證效率27.34%）。這是目前兩端全鈣鈦礦疊層電池的世界最高效率之一。
在這項研究中，上述研究團隊巧妙地將天冬氨酸鹽(AspCl)引入到底部空穴傳輸層、鈣鈦礦體吸光層、和上界面層中，開發(fā)了一種采用同一分子處理的一體化摻雜策略。
研究發(fā)現(xiàn)AspCl-SnI2和AspCl-PbI2具有很低的形成能，有利于形成中間體或者絡(luò)合物，極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量。除了與鈣鈦礦前驅(qū)體配位外，AspCl分子還具有很強的分子間氫鍵，富集在鈣鈦礦上、下界面處的AspCl還可充當鈣鈦礦層和傳輸層界面之間的分子鎖，進一步提升鈣鈦礦材料的性能和穩(wěn)定性。
此外，如何抑制窄帶隙鈣鈦礦中不穩(wěn)定性的二價錫金屬離子的自發(fā)氧化，也是行業(yè)痛點之一。
研究結(jié)果表明，AspCl可以有效抑制二價錫氧化，并減少有害的四價錫雜質(zhì)。進一步研究還表明，AspCl的引入可以鈍化鈣鈦礦材料的缺陷，調(diào)節(jié)費米能級，抑制有害的離子遷移等，從而加強器件的性能和穩(wěn)定性。這種簡易的一體化摻雜策略實現(xiàn)一舉多能，為窄帶隙鈣鈦礦及全鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能提升提供一個極有前景的方法，有望促進其他光電領(lǐng)域發(fā)展。（吳純新 吳江龍）
責任編輯：高慧君
校對：吳蘇靈
