反式鈣鈦礦太陽能電池研究取得系列進展

:近日，Advanced Materials刊登了北京大學物理學院“極端光學創(chuàng)新研究團隊”在鈣鈦礦太陽能電池研究的最新進展。研究團隊基于醋酸鉛前驅體體系制備的鈣鈦礦太陽能電池獲得超過20%的光電轉換效率，進一步顯示了反式鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展前景。

隨著環(huán)境問題的日益加劇，太陽能以其清潔、可再生的優(yōu)勢引起了科研界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。其中，高效、經(jīng)濟的光伏技術也成為了當前學術研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點之一。近年來，一種新型光伏技術——鈣鈦礦太陽能電池以其易制備、低成本和高效率的特點走入人們的視野，成為新型光伏技術的新寵。短短七年之內，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率實現(xiàn)了跨越增長，從最初的3.8%提升至現(xiàn)在的22%以上，表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢和潛力。

鈣鈦礦太陽能電池分為正式（n-i-p）和反式（p-i-n）兩種結構。常規(guī)的正式器件通常需要致密或介孔氧化物作為電子傳輸層，其制備工藝相對復雜，且與柔性基底的兼容性不好。相比較而言，反式結構器件因制備工藝簡單、可低溫成膜、無明顯回滯效應等優(yōu)點受到越來越多的關注，但是其光電轉換效率還稍顯不足。

針對反式結構鈣鈦礦太陽能電池器件效率較低的問題，北京大學“極端光學創(chuàng)新研究團隊”的朱瑞研究員和龔旗煌院士等從鈣鈦礦薄膜形貌控制、界面調控及組分優(yōu)化等角度進行了全面系統(tǒng)的研究，在過去的兩年中取得了一系列創(chuàng)新成果。他們利用醋酸鉛前驅體體系，先是將微量溴甲胺作為添加劑應用于鈣鈦礦前驅體溶液中，該策略可以有效改善鈣鈦礦薄膜的表面形貌，使其光學和電學性能均得到明顯提升，最終，基于醋酸鉛前驅體的反式平面結構鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從14.26%大幅度提高至18.32%，研究結果發(fā)表在Advanced Functional Materials上，并被選為封底內頁。該論文發(fā)表后連續(xù)兩個月的訪問次數(shù)在該刊排名前五，也是該刊2016年度訪問次數(shù)最多的文章之一（Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 3508，博士生趙麗宸和羅德映為共同第一作者）。隨后，他們又借助界面調控，首次在鈣鈦礦太陽能電池領域提出了“電荷載流子平衡”的概念，并系統(tǒng)地研究和實現(xiàn)反式鈣鈦礦太陽能電池器件內的電荷載流子平衡，將反式鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率進一步提升至接近19%，該結果發(fā)表在Advanced Materials上（Adv. Mater., 2016, 28, 10718，博士生陳科、胡芹和劉堂昊為共同第一作者）。之后，該團隊又進一步采用雙源前驅體溶液法，在體系中引入“甲脒”有機陽離子將吸收光譜拓展至近紅外區(qū)域，并結合對空穴傳輸層的優(yōu)化，確保了電荷有效傳輸和收集，同時提升了器件的開路電壓，最終將光電轉換效率提升至20%以上。該結果發(fā)表在Advanced Materials上，是目前報道的基于醋酸鉛前驅體體系鈣鈦礦太陽能電池的最高性能（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201604758，博士生羅德映和趙麗宸為共同第一作者）。此外，他們還撰寫了關于反式結構鈣鈦礦太陽能電池的綜述文章，發(fā)表在Advanced Energy Materials上，對反式鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)歸納，并對未來的前景進行了展望（Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600457，博士生劉堂昊為第一作者）。

該系列研究工作得到中國國家自然科學基金委、科技部、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、“極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心”“2011計劃”量子物質科學協(xié)同創(chuàng)新中心、“青年千人計劃”和美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）等單位的支持。

“極端光學創(chuàng)新研究團隊”在高效反式鈣鈦礦太陽能電池研究取得系列創(chuàng)新進展

原標題:反式鈣鈦礦太陽能電池研究取得系列進展