華北電力大學李美成教授團隊Nature?Energy:平面型鈣鈦礦p-n同質結太陽電池


【引言】

有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池以其出色的光電轉換效率、靈活簡單的制備工藝以及優異的材料特性掀起了研究的熱潮。近十年,鈣鈦礦電池的認證效率由最初的3.8%迅猛發展到23.7%。目前平面型鈣鈦礦電池大多基于p-i-n異質結的結構,然而鈣鈦礦材料具有可控的自摻雜特性,這使鈣鈦礦同質結結構的設計成為可能,有望突破現有p-i-n結構的限制。在鈣鈦礦同質結的結構中,p型和n型的鈣鈦礦薄膜間可有效地形成內建電場,將其引入平面型電池中,可以有效增強載流子的定向傳輸,進一步減少復合損失,從而提升光電性能。

【成果簡介】

華北電力大學李美成教授(通訊作者)團隊首次提出并構建了鈣鈦礦同質結結構,進一步將其應用于平面型鈣鈦礦太陽電池中,促進載流子的定向傳輸,減少了載流子復合,獲得了超過21.3%的光電轉換效率。團隊有效地管理了鈣鈦礦材料的缺陷數量,通過自摻雜的方法實現了鈣鈦礦材料載流子濃度和分布的精確調控,從而實現了鈣鈦礦p-n同質結結構。這項工作為鈣鈦礦太陽電池的進一步發展做出了貢獻,也可大大拓寬鈣鈦礦材料在太陽電池以外領域的應用。相關研究結果發表在Nature?Energy,?DOI: 10.1038/s41560-018-0324-8?(https://rdcu.be/bj4EZ)。華北電力大學博士研究生崔鵬衛東為本文共同第一作者。

Nature Energy同期評論(news & views),Ji-Sang Park and Aron Walsh發表評論文章PEROVSKITE PHOTOVOLTAICS,Embrace your defects(DOI:https://doi.org/10.1038/s41560-019-0329-y)。文章指出:p-n同質結電池的研制開辟了鈣鈦礦電池新的發展路徑;中國的研究者們報道了鈣鈦礦p-n同質結,這為鈣鈦礦電池利用傳統Si電池的器件結構和優勢工藝開辟了道路;研究成果的影響超出太陽電池,也包括大電流模式的LED發光應用、低電流模式的神經形態計算(neuromorphic computing)等方面的廣泛影響。

【圖文導讀】

圖1?平面型鈣鈦礦同質結太陽電池的結構及制備原理圖

圖2 平面型鈣鈦礦同質結太陽電池中的載流子產生與復合

圖3 鈣鈦礦同質結薄膜的摻雜、載流子傳輸與光學特性

圖4 截面的鈣鈦礦同質結器件KPFM測試

圖5 平面型鈣鈦礦同質結太陽電池的光電性能

圖6 平面型鈣鈦礦同質結薄膜及電池穩定性分析

【小結】

該團隊首次實現了鈣鈦礦p-n同質結結構,并通過截面的KPFM等測試技術證明了鈣鈦礦同質結中內建電場的形成;將MAPbI3同質結應用于平面型鈣鈦礦電池中,獲得了20.5%的認證效率;進一步將FA0.15MA0.85PbI3同質結應用于平面型鈣鈦礦電池中,獲得了21.38%的光電轉換效率。這項工作通過對鈣鈦礦材料載流子濃度與分布的精確調控,設計了鈣鈦礦p-n同質結結構,為提高鈣鈦礦太陽電池性能提供了具有前景的方法。此外,鈣鈦礦p-n同質結結構拓寬了鈣鈦礦材料在太陽電池以外領域的應用。

作者簡介

李美成,男,二級教授、博導。現任華北電力大學國家重大科技基礎設施籌建辦公室常務副主任,可再生能源學院副院長。2004年至2006年期間在英國劍橋大學作皇家研究員。2006年入選教育部“新世紀優秀人才”。2009年獲黑龍江省第九屆青年科技獎,并獲黑龍江省自然科學一等獎(第一完成人)。2016年獲北京市科學技術獎,2017年入選北京市百名科技領軍人才,2018年入選國家創新人才推進計劃“科技創新領軍人才”。享受國務院政府特殊津貼專家,教育部高等學校教指委委員(2018-2022)。近年來,在太陽電池及鋰離子電池領域開展了廣泛深入的研究,在Energ. & Environ.?Sci.,?Adv.?Mater.,?Adv.?Funct.?Mater.,?ACS Nano,?Nano Energy, Adv.?Sci.等國際知名期刊共發表論文200余篇。

華北電力大學“新能源材料與器件實驗室”依托“新能源電力系統國家重點實驗室”和"清潔能源學"北京市重點學科,研究與開發新型太陽電池等能量轉換器件、鋰/鈉離子電池等能量存儲器件,以及光纖傳感器等未來能源互聯網和綜合能源系統所需新型電力、信息元器件等傳感器件。

文獻鏈接:https://rdcu.be/bj4EZ

本文由華北電力大學李美成教授團隊供稿,材料人編輯部編輯。

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