半導(dǎo)體所在高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池方面取得進展

鈣鈦礦太陽能電池具有成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。經(jīng)過十多年的快速發(fā)展，鈣鈦礦單結(jié)電池效率已超過25%，基于鈣鈦礦的多結(jié)疊層電池效率已超過30%，鈣鈦礦太陽能電池被認為是未來最具應(yīng)用潛力的光伏技術(shù)之一。

光電轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池的核心指標之一，為實現(xiàn)高效率的鈣鈦礦太陽能電池，人們常采用可與鈣鈦礦形成I型異質(zhì)結(jié)能級結(jié)構(gòu)的二次相碘化鉛(PbI2)來阻擋載流子在多晶鈣鈦礦晶界或表面缺陷處復(fù)合。早期半導(dǎo)體所團隊曾發(fā)現(xiàn)基于二次相PbI2的鈣鈦礦電池較難兼顧效率和穩(wěn)定性(Advanced Materials, 2017,29,1703852)。主要原因是PbI2二次相的存在可能提供了鈣鈦礦分解以及離子移動通道，使得鈣鈦礦材料以及電池器件長期穩(wěn)定性較差，且易產(chǎn)生較大的電滯。因此，如何設(shè)計穩(wěn)定的二次相，既能實現(xiàn)鈍化鈣鈦礦缺陷，又能獲得穩(wěn)定的鈣鈦礦吸光材料，從而實現(xiàn)既高效又穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池是當(dāng)前該領(lǐng)域的一個重要課題。

最近，半導(dǎo)體所游經(jīng)碧研究員領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)現(xiàn)通過在鈣鈦礦材料中引入少量氯化銣(RbCl)，可將常見的引起鈣鈦礦不穩(wěn)定的二次相PbI2轉(zhuǎn)化成為全新的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好的(PbI2)2RbCl（簡稱PIRC）（圖1A,1B）。實現(xiàn)了85℃條件下鈣鈦礦材料熱穩(wěn)定性大幅度提升，同時鈣鈦礦材料的離子遷移勢壘提高了3倍，離子遷移得到了有效抑制（圖1C，1D）。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)通過抑制PbI2消除了鈣鈦礦/PbI2界面的強限域?qū)е碌哪軒ё兇髥栴}，減小了鈣鈦礦材料的帶隙，擴展了對太陽光吸收范圍。基于獲得的高穩(wěn)定性、光吸收擴展的鈣鈦礦材料，半導(dǎo)體所團隊研制出認證效率為25.6%的鈣鈦礦太陽能電池（圖2A），為目前公開發(fā)表的單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池世界最高效率。電池器件1000小時放置和85攝氏度加速老化分別保持初始效率的96%和80%（圖2B，2C）。該工作同時實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池的高光電轉(zhuǎn)換效率和高穩(wěn)定性，為鈣鈦礦電池的進一步發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。

此項成果已發(fā)表于Science雜志(Inactive (PbI2)2RbCl stabilizes perovskite films forefficient solar cells , Science, 2022,377,531-534.doi/10.1126 / science .abp8873)，半導(dǎo)體所博士后趙洋是該論文的第一作者，博士生馬飛、瞿子涵分別為論文的第二、第三作者，游經(jīng)碧研究員為該論文的通訊作者。該工作得到了半導(dǎo)體所張興旺研究員的悉心指導(dǎo)與大力支持，還得到了半導(dǎo)體所鄧惠雄研究員（晶體結(jié)構(gòu)理論模擬）和中南大學(xué)袁永波教授（離子遷移表征）的研究支持。同時，感謝上海同步輻射楊迎國研究員以及武漢大學(xué)柯維俊教授等對研究工作給予的幫助和寶貴的建議。

該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學(xué)基金、中國科學(xué)院創(chuàng)新交叉團隊、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金以及中南大學(xué)創(chuàng)新團隊等項目的資助。同時也感謝北京市科委對本課題前期研究的大力支持。

圖1、(A)具有PIRC二次相鈣鈦礦的掃描電子顯微鏡照片，(B)有無PIRC的鈣鈦礦薄膜X射線衍射圖譜（插圖為局部放大圖），(C)與(D)分別為有無PIRC的鈣鈦礦電導(dǎo)與溫度關(guān)系圖。

圖2、(A)第三方權(quán)威機構(gòu)美國Newport認證書，認證效率為25.6%，插圖為認證效率曲線，(B)有無穩(wěn)定二次相PIRC器件放置的電流-電壓曲線，(C)有無穩(wěn)定二次相PIRC器件在85℃加速老化下的穩(wěn)定性。

審核編輯 ：李倩