中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在反型結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池取得重要進(jìn)展

導(dǎo)讀

近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在p-i-n反型結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的p型空穴傳輸層設(shè)計(jì)和可控生長(zhǎng)等方面取得重要進(jìn)展。

鈣鈦礦太陽能電池被認(rèn)為是未來最具潛力的光伏技術(shù)之一。過去十多年，高光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦電池大多采用n-i-p正型器件結(jié)構(gòu)，但處于電池頂層的常用p型有機(jī)小分子Spiro-OMeTAD存在易吸水以及熱穩(wěn)定性較差等問題，嚴(yán)重制約了鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的發(fā)展。反型結(jié)構(gòu)(p-i-n)鈣鈦礦太陽能電池采用穩(wěn)定的n型金屬氧化物如SnO2和低載流子復(fù)合損失的p型自組裝分子(SAM)分別作為電子和空穴傳輸層，可兼得器件的效率和穩(wěn)定性，最近幾年受到極大關(guān)注。然而厚度僅為幾納米的SAM層存在大面積均勻生長(zhǎng)困難的重大挑戰(zhàn)，影響了鈣鈦礦電池的重復(fù)性和高效大面積化發(fā)展。

近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在p-i-n反型結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的p型空穴傳輸層設(shè)計(jì)和可控生長(zhǎng)等方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地在透明導(dǎo)電襯底FTO和SAM層之間引入溶液法制備的p型氧化鎳(NiOx)納米顆粒，顯著增強(qiáng)了SAM的自組裝能力。同時(shí)通過同質(zhì)化NiOx納米顆粒，成功實(shí)現(xiàn)了在均勻致密NiOx薄膜表面上SAM的大面積均勻可控制備（圖1），有效解決了此前分子直接在透明導(dǎo)電襯底上組裝不完美導(dǎo)致的缺陷復(fù)合和電荷輸運(yùn)損失的問題。

圖1、(A-C) NiOx納米顆粒同質(zhì)化前后的高分辨透射電子顯微鏡照片以及尺寸分布情況比較，(D-F)自組裝分子層(SAM: Me-4PACz)在透明導(dǎo)電襯底FTO、FTO/NiOx以及FTO/同質(zhì)化NiOx上的表面電勢(shì)分布情況。

基于高質(zhì)量NiOx/SAM復(fù)合空穴傳輸層，游經(jīng)碧團(tuán)隊(duì)研制出認(rèn)證效率為25.2%（0.074平方厘米）和模組效率為21%（14.6平方厘米）的反型鈣鈦礦太陽能電池。電池在無封裝條件下，經(jīng)過最大功率輸出點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)以及85℃加速老化500小時(shí)，均保持初始效率85%以上（圖2）。該工作為高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池的研究提供了一個(gè)普適的策略，將為鈣鈦礦電池高良品率大面積制備及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖2、(A-B)采用不同空穴傳輸層構(gòu)建的反型鈣鈦礦太陽能電池的電流-電壓曲線以及相關(guān)電池正向/反向掃描的電流-電壓曲線，(C) 面積為14.65平方厘米的鈣鈦礦電池模組的電流-電壓曲線，插圖為模組電池實(shí)物照片，(D) 未封裝的小面積電池在最大功率輸出點(diǎn)的穩(wěn)定性追蹤測(cè)試，樣品表面溫度為50攝氏度。

審核編輯：劉清