【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授徐集賢團隊與合作者，針對鈣鈦礦太陽電池中長期普遍存在的“鈍化-傳輸”矛盾問題，提出了命名為PIC(porous insulator contact，多孔絕緣接觸)的新型結(jié)構(gòu)和突破方案，基于嚴(yán)格的模型仿真和實驗給出了PIC方案的設(shè)計原理和概念驗證，實現(xiàn)了p-i-n反式結(jié)構(gòu)器件穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率的世界紀(jì)錄，并在多種基底和鈣鈦礦組分中展現(xiàn)了普遍的適用性。2月17日，相關(guān)研究成果以《通過一種多孔絕緣接觸減少鈣鈦礦太陽電池中的非輻射復(fù)合》(Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact)為題，發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。
 

　　“鈍化-傳輸”矛盾問題在光電子器件中(如太陽電池、發(fā)光二極管、光電探測器等)普遍存在。為了減少半導(dǎo)體表面的非輻射復(fù)合損失，需要覆蓋鈍化層來減少半導(dǎo)體表面缺陷密度。這些鈍化材料的導(dǎo)電率一般較低，增加其厚度會增強鈍化效果，但同時導(dǎo)致電流傳輸受限。由于這個矛盾，目前這些超薄鈍化層的厚度需要極為精確的控制在幾個甚至一個納米內(nèi)(nm，十億分之一米)，載流子通過遂穿效應(yīng)等厚度敏感方式進行傳輸，對于低成本的大面積生產(chǎn)不利。
 

　　鈣鈦礦太陽電池技術(shù)近些年引起廣泛關(guān)注，主要器件類型包括鈣鈦礦單結(jié)、晶硅-鈣鈦礦疊層、全鈣鈦礦疊層電池等，有望在傳統(tǒng)晶硅太陽電池之外提供新的低成本高效率光伏方案。鈣鈦礦電池中，異質(zhì)結(jié)接觸問題帶來的非輻射復(fù)合損失已被普遍證明是主要的性能限制因素。由于“鈍化-傳輸”矛盾問題的存在，超薄鈍化層納米級別的厚度變化均會引起填充因子和電流密度的降低。因此，各類鈣鈦礦器件亟需一種新型的接觸結(jié)構(gòu)能夠在提高性能的同時大幅減少鈍化厚度的敏感性。
 

　　科研團隊經(jīng)過長期思考和大量實驗探索，提煉出這種PIC接觸結(jié)構(gòu)方案(圖1)。該研究的主要思想是不依賴傳統(tǒng)納米級鈍化層和遂穿傳輸，而直接使用百納米級厚度的多孔絕緣層，迫使載流子通過局部開孔區(qū)域進行傳輸，同時降低接觸面積。研究團隊的半導(dǎo)體器件建模計算揭示了這種PIC結(jié)構(gòu)周期應(yīng)與鈣鈦礦載流子傳輸長度匹配的關(guān)鍵設(shè)計原理。PIC方案與晶硅太陽能電池領(lǐng)域的局部接觸技術(shù)有異曲同工之妙，然而，不同的是，鈣鈦礦中的載流子擴散長度較單晶硅要短很多，從毫米級別大幅減小到微米甚至更短，這要求PIC的尺寸和結(jié)構(gòu)周期要在百納米級別。傳統(tǒng)的晶硅局部接觸工藝不能直接滿足這種精度要求，而使用高精度微納加工技術(shù)在制備面積和成本方面存在不足。面對這一挑戰(zhàn)，科研人員巧妙地利用納米片的尺寸效應(yīng)，通過PIC生長方式從常規(guī)“層+島”(Stranski-Krastanov)模式向“島狀”(Volmer-Weber)模式的轉(zhuǎn)變，采用低溫低成本的溶液法實現(xiàn)了這種納米結(jié)構(gòu)的制備(圖2)。
 

　　研究在疊層器件中廣泛使用的p-i-n反式結(jié)構(gòu)中開展了PIC方案的驗證，首次實現(xiàn)了空穴界面復(fù)合速度從~60cm/s下降至10cm/s(圖3)以及25.5%的單結(jié)最高效率(p-i-n結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率紀(jì)錄24.7%)(圖4)。這種性能的大幅改善在多種帶隙和組分的鈣鈦礦中均普遍存在，展現(xiàn)了PIC廣闊的應(yīng)用前景。另外，PIC結(jié)構(gòu)在多種疏水性基底均實現(xiàn)了鈣鈦礦成膜覆蓋率和結(jié)晶質(zhì)量的提高(載流子體相壽命大幅提升)，對于大面積擴大化制備頗有意義。
 

　　值得注意的是，PIC方案具有普遍性，可進一步在不同器件結(jié)構(gòu)和不同界面中推廣拓展；模擬計算指出目前實驗實現(xiàn)的PIC覆蓋面積未達(dá)到其設(shè)計潛力，可進一步優(yōu)化獲得更大的性能提升。
 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部、合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院、中國科大碳中和研究院、上海同步輻射光源等的支持。美國科羅拉多大學(xué)博德分校科研人員參與研究。