中科院合肥研究院等提出提高鈣鈦礦太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化效率新策略

近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所能源材料與器件制造研究部研究員潘旭團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授肖正國(guó)課題組合作，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中取得進(jìn)展，制備出理想帶隙為1.33 eV的鉛錫混合鈣鈦礦作為太陽(yáng)能電池吸收層，通過(guò)定向錨定策略（STA）對(duì)鈣鈦礦空位缺陷進(jìn)行精確鈍化處理，獲得22.51%的光電轉(zhuǎn)化效率（PCE）記錄，光電轉(zhuǎn)化效率有望超越傳統(tǒng)鉛基鈣鈦礦太陽(yáng)電池。

目前，有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）最高光電轉(zhuǎn)換效率已提高到25.8%（認(rèn)證為25.7%）。傳統(tǒng)的鉛基鈣鈦礦材料的禁帶寬度在1.5~1.7 eV范圍內(nèi)，根據(jù)Shockley-Queisser（S-Q）模型，當(dāng)吸收層帶隙為1.33 eV時(shí)，電池具有最高的理論極限效率。采用Sn部分取代或全部取代Pb可以降低鈣鈦礦帶隙，當(dāng)Sn比例為20%時(shí)，帶隙能降至理想值1.33 eV左右。但20%Sn含量是鈣鈦礦帶隙變化的臨界值，其中存在大量的缺陷，導(dǎo)致非輻射復(fù)合造成嚴(yán)重的開路電壓損失（VOCloss）。根據(jù)以往的研究，造成開路電壓損失的具體原因主要有兩個(gè)：Sn2+易氧化成Sn4+引起嚴(yán)重的自p摻雜，形成Sn空位并引入額外的p型電荷；Sn與有機(jī)組分的反應(yīng)強(qiáng)于Pb，使得結(jié)晶過(guò)程過(guò)快和不受控，導(dǎo)致薄膜質(zhì)量較差，缺陷密度增加。

基于此，該研究通過(guò)定向選擇錨定策略對(duì)鈣鈦礦進(jìn)行鈍化處理，獲得理想帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池22.51%的光電轉(zhuǎn)化效率記錄。研究表明，鉛錫混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中雙金屬的缺陷是導(dǎo)致其性能退化的主要原因。因此，研究人員采用2-苯乙胺氫碘酸鹽（PEAI）和乙二胺氫碘酸鹽（EDAI）作為共修飾劑對(duì)鈣鈦礦進(jìn)行表面處理，分別選擇性錨定與Pb和Sn相關(guān)的活性位點(diǎn)并對(duì)兩種金屬缺陷進(jìn)行鈍化。最終，鉛錫混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開路電壓（VOC）從0.79 V大幅提高到0.90 V，開路電壓的損失降低到0.43 V。此外，器件表現(xiàn)出極佳穩(wěn)定性，在氮?dú)馐痔紫渲写鎯?chǔ)2700小時(shí)后，仍可保持初始效率的80%。

該研究為鉛錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池管理金屬雙源缺陷提供了一種有效的鈍化機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials上。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省杰出青年基金等項(xiàng)目資助。

原標(biāo)題:科研團(tuán)隊(duì)提出新策略可有效提高鈣鈦礦太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化效率