我科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)提高全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池效率新途徑
來(lái)源：科技日?qǐng)?bào) 時(shí)間：2023-11-13 15:26
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北京時(shí)間11月9日凌晨，《自然》雜志在線發(fā)表了武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院柯維俊教授、方國(guó)家教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的最新研究成果。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種采用同一分子處理的一體化摻雜策略，提升太陽(yáng)能電池綜合性能。
新型金屬鹵化物鈣鈦礦是一種分子通式為ABX3的晶體材料，具有制備工藝簡(jiǎn)單、缺陷容忍度高、吸收系數(shù)高、載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在光電子器件領(lǐng)域備受關(guān)注，被認(rèn)為是下一代最具前景的光伏材料之一。
其中，單節(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)與傳統(tǒng)硅基電池相當(dāng)，但要進(jìn)一步提升其效率將越來(lái)越困難。全鈣鈦礦疊層電池可以突破單結(jié)太陽(yáng)能電池的肖克利-奎伊瑟效率極限，理論效率可達(dá)44%，性能還有非常大的提升空間。
據(jù)介紹，全鈣鈦礦疊層電池由頂部的寬帶隙鈣鈦礦子電池和底部的窄帶隙鈣鈦礦子電池一體化疊加而成，而其中不夠優(yōu)異的窄帶隙鈣鈦礦子電池是其未來(lái)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的絆腳石之一，也是該領(lǐng)域的共性挑戰(zhàn)問(wèn)題。
基于此，方國(guó)家、柯維俊團(tuán)隊(duì)通過(guò)天冬氨酸鹽一體化摻雜策略，同時(shí)提高了窄帶隙鈣鈦礦子電池的效率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)效率27.62%（第三方權(quán)威認(rèn)證效率27.34%）。這是目前兩端全鈣鈦礦疊層電池的世界最高效率之一。
在這項(xiàng)研究中，上述研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將天冬氨酸鹽(AspCl)引入到底部空穴傳輸層、鈣鈦礦體吸光層、和上界面層中，開發(fā)了一種采用同一分子處理的一體化摻雜策略。
研究發(fā)現(xiàn)AspCl-SnI2和AspCl-PbI2具有很低的形成能，有利于形成中間體或者絡(luò)合物，極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量。除了與鈣鈦礦前驅(qū)體配位外，AspCl分子還具有很強(qiáng)的分子間氫鍵，富集在鈣鈦礦上、下界面處的AspCl還可充當(dāng)鈣鈦礦層和傳輸層界面之間的分子鎖，進(jìn)一步提升鈣鈦礦材料的性能和穩(wěn)定性。
此外，如何抑制窄帶隙鈣鈦礦中不穩(wěn)定性的二價(jià)錫金屬離子的自發(fā)氧化，也是行業(yè)痛點(diǎn)之一。
研究結(jié)果表明，AspCl可以有效抑制二價(jià)錫氧化，并減少有害的四價(jià)錫雜質(zhì)。進(jìn)一步研究還表明，AspCl的引入可以鈍化鈣鈦礦材料的缺陷，調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)，抑制有害的離子遷移等，從而加強(qiáng)器件的性能和穩(wěn)定性。這種簡(jiǎn)易的一體化摻雜策略實(shí)現(xiàn)一舉多能，為窄帶隙鈣鈦礦及全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的性能提升提供一個(gè)極有前景的方法，有望促進(jìn)其他光電領(lǐng)域發(fā)展。（吳純新 吳江龍）
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