北京大學(xué)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池紀(jì)錄再度刷新達(dá)19.3%

太陽(yáng)能的利用是當(dāng)前物理、能源、材料等領(lǐng)域交叉研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。鈣鈦礦型有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化材料是近兩年來(lái)備受關(guān)注的新型光伏材料，其光電轉(zhuǎn)換效率已迅速攀升到17.9%（經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)驗(yàn)證）。近期，該紀(jì)錄又被刷新到19.3%（Science雜志報(bào)道），并有希望達(dá)到晶體硅電池的25%的水平。“介觀光學(xué)與飛秒光物理”國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體成員肖立新教授、朱瑞研究員和龔旗煌院士等在已有工作的基礎(chǔ)上，積極開展相關(guān)前沿研究，取得了系列重要進(jìn)展。 有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦型光伏材料是由有機(jī)單元與無(wú)機(jī)單元通過離子鍵結(jié)合而成的一類新型光伏材料，具有AMX3晶格結(jié)構(gòu)，其中A為有機(jī)陽(yáng)離子如CH3NH3+，M為二價(jià)金屬離子如Pb2+、Sn2+等，X為Cl-、Br-或I-等鹵素離子。無(wú)機(jī)單元形成互連結(jié)構(gòu)以提供載流子傳輸，使得該類材料具有高的電荷傳輸能力；有機(jī)單元可以穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)，并改進(jìn)材料溶解性，使材料可通過溶液加工成膜。相對(duì)于其它類型的太陽(yáng)能電池，介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦型光伏電池具有成本低、吸收光譜寬、吸收系數(shù)高、制作工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，因此吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。 研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦型光伏材料的結(jié)晶形貌對(duì)其光電性能的影響至關(guān)重要，肖立新教授、龔旗煌院士與西安交通大學(xué)吳朝新教授、侯洵院士合作，通過分步溶液成膜方法對(duì)摻氯鈣鈦礦材料進(jìn)行優(yōu)化，相對(duì)于一步溶液成膜方法，微觀形貌容易控制，器件效率得到極大提高，并進(jìn)一步研究鈣鈦礦薄膜材料的成膜條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦薄膜形貌的調(diào)控，成功制備介觀結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，同時(shí)提高太陽(yáng)能電池的吸光能力及電荷傳輸能力，研究結(jié)果分別發(fā)表在Chem. Commun. 2014，50，12458的內(nèi)封面文章及Nanoscale，2014，6，8171上。該創(chuàng)新研究群體還針對(duì)鈣鈦礦電池急需解決的穩(wěn)定性問題，開發(fā)了一種新型疏水性空穴傳輸材料使器件的穩(wěn)定性得到極大改善（Chem. Commun. 2014，50，11196），相關(guān)工作已經(jīng)申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利。 “青年千人”研究員朱瑞博士和龔旗煌院士針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的界面工程問題，利用堿金屬鹽修飾透明導(dǎo)電電極表面，優(yōu)化了透明電極與鈣鈦礦活性層材料之間的能級(jí)匹配，實(shí)現(xiàn)了不依賴于氧化物致密層的鈣鈦礦型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)，該器件的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到15.1%。結(jié)果表明，通過界面修飾工程可以替代常規(guī)的致密氧化物薄膜，實(shí)現(xiàn)電子的有效收集，這將有助于簡(jiǎn)化器件的制備工藝，同時(shí)也使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍保持良好的器件性能。該工作即將發(fā)表在ACS Nano（已接收）上，相關(guān)成果也已經(jīng)申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利。 在本研究工作中博士生馬英壯、鄭靈靈和胡芹起到了重要的作用，分別作為相關(guān)論文第一作者。參加研究工作的還有陳志堅(jiān)教授、王樹峰副教授、曲波副教授等。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、“人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和“2011計(jì)劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。