中國科學院半導體研究所在反型結構鈣鈦礦太陽能電池取得重要進展

導讀

近期，中國科學院半導體研究所游經碧研究員帶領的團隊在p-i-n反型結構鈣鈦礦太陽能電池的p型空穴傳輸層設計和可控生長等方面取得重要進展。

鈣鈦礦太陽能電池被認為是未來最具潛力的光伏技術之一。過去十多年，高光電轉換效率的鈣鈦礦電池大多采用n-i-p正型器件結構，但處于電池頂層的常用p型有機小分子Spiro-OMeTAD存在易吸水以及熱穩(wěn)定性較差等問題，嚴重制約了鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的發(fā)展。反型結構(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注。然而厚度僅為幾納米的SAM層存在大面積均勻生長困難的重大挑戰(zhàn)，影響了鈣鈦礦電池的重復性和高效大面積化發(fā)展。

近期，中國科學院半導體研究所游經碧研究員帶領的團隊在p-i-n反型結構鈣鈦礦太陽能電池的p型空穴傳輸層設計和可控生長等方面取得重要進展。該團隊創(chuàng)新性地在透明導電襯底FTO和SAM層之間引入溶液法制備的p型氧化鎳(NiOx)納米顆粒，顯著增強了SAM的自組裝能力。同時通過同質化NiOx納米顆粒，成功實現(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電襯底上組裝不完美導致的缺陷復合和電荷輸運損失的問題。

圖1、(A-C) NiOx納米顆粒同質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)在透明導電襯底FTO、FTO/NiOx以及FTO/同質化NiOx上的表面電勢分布情況。

基于高質量NiOx/SAM復合空穴傳輸層，游經碧團隊研制出認證效率為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，經過最大功率輸出點持續(xù)運行1000小時以及85℃加速老化500小時，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普適的策略，將為鈣鈦礦電池高良品率大面積制備及產業(yè)化發(fā)展奠定堅實基礎。

圖2、(A-B)采用不同空穴傳輸層構建的反型鈣鈦礦太陽能電池的電流-電壓曲線以及相關電池正向/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，插圖為模組電池實物照片，(D) 未封裝的小面積電池在最大功率輸出點的穩(wěn)定性追蹤測試，樣品表面溫度為50攝氏度。

審核編輯：劉清