近期Nature Photonics《自然•光子學》線上發表了武漢大學與香港理工大學以及加州大學洛杉磯分校的合作研究成果。論文題為“Stable and low-photovoltage-loss perovskite solar cells by multifunctional passivation”（《多功能鈍化實現穩定、低開路電壓損失的鈣鈦礦太陽能電池》）。
武漢大學物理科學與技術學院楊光博士（2016級博士生）和香港理工大學任志偉博士、劉寬博士為論文共同第一作者，香港理工大學李剛教授和武漢大學方國家教授以及加州大學洛杉磯分校楊陽教授為共同通訊作者。合著者包括武漢大學物理科學與技術學院的王建波教授、2019級博士生王海兵、梁記偉、葉飛鴻和莊園林博士等。武漢大學為論文共同署名和通訊作者單位。
有機-無機雜化鈣鈦礦具有優异的光電效能，並且鈣鈦礦太陽能電池的認證光電轉換效率已經超過25%，有望超過單晶矽太陽能電池的效率（26.7%）。進一步提高鈣鈦礦電池的效率和穩定性有助於加速鈣鈦礦太陽能電池的商業化行程。短路電流密度（JSC），開路電壓（VOC）和填充因數（FF）是决定鈣鈦礦電池效率的三個重要參數。其中JSC和FF已經取得了突破性的進展，VOC損失成為了限制鈣鈦礦電池效率的一個重要因素。通常來說，鈣鈦礦薄膜內和介面處的非輻射複合損失被認為是限制鈣鈦礦電池VOC的主要原因。
這項工作通過採用丁胺分子對三維鈣鈦礦表面的處理，一方面在三維鈣鈦礦表面形成了梯度能級分佈的二維鈣鈦礦表面鈍化層；同時丁胺分子在熱動力學的驅動下自上而下擴散，在鈣鈦礦薄膜內的晶界處形成了二維/三維鈣鈦礦的本體異質結。從而有效降低了三維鈣鈦礦薄膜薄膜的面缺陷和體缺陷濃度。這種表面和體內的協同鈍化策略有效地降低了不同帶隙寬度鈣鈦礦薄膜中的非輻射複合損失。在1.63eV帶隙的鈣鈦礦電池中獲得了1.24V的VOC。在1.53eV帶隙的鈣鈦礦中獲得了23.78%的效率，VOC高達1.21V，協力廠商認證機構的測試效率為23.09%。該協同鈍化减少開路電壓損失策略被證明同樣適合於帶隙寬度為1.56eV和1.73eV的鈣鈦礦。同時，由於二維鈣鈦礦具有良好的環境穩定性，基於這種方法製備的二維/三維鈣鈦礦電池，其穩定性也得到了顯著提高。
二維/三維鈣鈦礦生長機理示意圖
該研究方法有望拓展到倒置、介觀結構甚至疊層鈣鈦礦光伏器件中，有助於實現穩定、低開路電壓損失的鈣鈦礦單節或多節太陽能電池，並為推進鈣鈦礦電池的發展提供了新思路。該研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部、湖北省科技廳項目的支持。
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https://www.nature.com/articles/s41566-021-00829-4
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