最新Nature: 抑制廣角光損失和非輻射復(fù)合,實現(xiàn)高效鈣鈦礦太陽能電池

金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）作為光伏技術(shù)中的領(lǐng)先候選者迅速崛起，通過器件結(jié)構(gòu)和材料工程的進步，其光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已超過26%。然而，大多數(shù)報道的效率是在垂直模擬陽光條件下測量的，卻忽略了隨入射角度變化而導(dǎo)致的嚴(yán)重能量損失。由于陽光角度在一天中不斷變化，當(dāng)光線入射角超過40°時，PSCs會經(jīng)歷顯著的短路電流密度（Jsc）和效率損失，從而限制了其大規(guī)模應(yīng)用的可能性。因此，減少大角度光能量損失和非輻射復(fù)合是實現(xiàn)實際應(yīng)用的關(guān)鍵。

而目前大量的研究致力于材料工程策略，包括體相摻雜和界面鈍化，以提高鈣鈦礦的結(jié)晶性并抑制非輻射復(fù)合。相比之下，基底結(jié)構(gòu)對鈣鈦礦結(jié)晶過程及其結(jié)晶性產(chǎn)生的關(guān)鍵影響卻鮮有報道。特別是，基底結(jié)構(gòu)顯著影響光線在鈣鈦礦吸收層中的傳播以及載流子在界面的傳輸行為。例如，使用紋理化基底可以有效捕獲入射光，通過延長光學(xué)路徑增加光的陷獲，從而增強短路電流密度。然而，關(guān)于能量損失抑制機制以及鈣鈦礦在這些紋理化結(jié)構(gòu)上的生長仍需進一步深入研究。此外，開發(fā)用于紋理化基底的雙層構(gòu)造的共形電荷傳輸層有助于改善電荷傳輸。同時，電子傳輸層材料的選擇也對光和載流子管理具有重要影響。例如，在n–i–p PSCs中，二氧化錫在550nm波長處的折射率（n）約為1.9，與包括氧化銦錫（ITO）和氟摻雜氧化錫（FTO）在內(nèi)的透明導(dǎo)電氧化物（TCO）基底具有良好的光學(xué)兼容性。相對而言，折射率更高的電子傳輸層（如二氧化鈦）在界面處引入了更大的反射損失。此外，F(xiàn)TO和二氧化鈦之間的導(dǎo)帶錯配可能加劇電荷提取效率的降低，進一步損害器件性能。

為此，2025年1月9日武漢大學(xué)柯維俊&方國家&瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel于Nature Photonics刊發(fā)抑制廣角光損失和非輻射復(fù)合，實現(xiàn)高效鈣鈦礦太陽能電池的研究成果，研究介紹了一種解決此問題的通用策略。在論文中，團隊采用了一種特殊設(shè)計的TCO基底，這種基底是帶有高度分布的納米板（NP-FTO）結(jié)構(gòu)的FTO涂層玻璃基底。這種配置在寬光譜范圍內(nèi)顯著減少了大角度光損失，其性能優(yōu)于普通TCO基底，包括標(biāo)準(zhǔn)ITO和不具有此類結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)FTO。更重要的是，沉積在NP-FTO上的鈣鈦礦表現(xiàn)出更好的結(jié)晶性和載流子遷移率。此外，通過結(jié)合原子層沉積（ALD）和旋涂技術(shù)的全二氧化錫電子傳輸層大限度地減少了光損失和非輻射復(fù)合，使n–i–p結(jié)構(gòu)器件的PCE達到了26.4%（經(jīng)認(rèn)證為25.9%）。此外，NP-FTO在高性能全鈣鈦礦疊層太陽能電池中也顯示出了巨大潛力，其最佳PCE達到了28.2%。

內(nèi)容來源：Ge, Y., Zheng, L., Wang, H. et al. Suppressing wide-angle light loss and non-radiative recombination for efficient perovskite solar cells. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01570-4