上海交通大學Science：穩固結構柔弱的鈣鈦礦半導體異質結

通訊作者：楊旭東，韓禮元

第一作者：王言博

通訊單位：上海交通大學

引言

鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型光伏技術，具有成本低、效率高的特點，目前世界最高光電轉化效率紀錄已達到25%。作為一種半導體異質結結構光電器件，鈣鈦礦太陽能電池通過鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導體材料組成的異質結結構來有效分離和提取光生電荷，實現由光能到電能的轉換。但是，鈣鈦礦電池異質結結構并不穩固，一旦異質結結構被破壞，電池性能就會顯著降低。究其主要原因，由離子組成的鈣鈦礦半導體天生結構“柔弱”，工作條件下受光照、電場、溫度、水氧等作用的影響會產生大量結構缺陷，導致半導體材料發生結構改變甚至分解；分解逃逸出來的離子還會進入到電荷傳輸層或者電極層，進一步破壞異質結的光電轉換功能，造成整體器件效率的顯著降低。因此，如何穩固鈣鈦礦太陽能電池中“柔弱”的異質結結構，保護光生電荷的分離和提取過程，成為解決穩定性難題的一個重要研究方向。

成果簡介

上海交通大學的楊旭東教授和韓禮元教授（共同通訊作者）為解決上述穩定性問題，設計制備了具有穩固結構的鈣鈦礦異質結結構。該結構主要包含一層表面富鉛鈣鈦礦半導體薄膜，并在薄膜表面沉積氯化氧化石墨烯薄膜，通過形成氯-鉛鍵、氧-鉛鍵，將兩層薄膜結合在一起。光學、電學等表征實驗結果表明，該異質結結構穩定，可以有效減少鈣鈦礦半導體薄膜的分解和缺陷的產生，同時也減少了逃逸離子對電荷傳輸層功能性的破壞。具有該異質結結構的鈣鈦礦太陽能電池，在一個標準太陽光光強和60 ^oC條件下連續工作1000小時的后，仍然保有初始效率的90%，而且電池的穩態輸出效率通過了國際公認電池評測機構-日本產業技術綜合研究所（AIST）光伏技術研究中心的認證。2019年8月16日，相關成果以題為“Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors”的文章在線發表在Science上。

圖文導讀

圖1 富鉛鈣鈦礦薄膜制備

圖2 穩定異質結結構形成

圖3 電荷傳輸層得到有效保護

圖4 電池結構與性能

小結

該研究團隊的工作提供了一種通過構建穩固的異質結來提高鈣鈦礦太陽電池穩定性的方法，對于鈣鈦礦太陽能電池產業化的實現具有重要的價值和意義。這也是該研究團隊，繼2015年在Science期刊上發表高效率鈣鈦礦光伏研究成果(Science, 2015, 350, 944)和2017年在Nature期刊上發表大面積鈣鈦礦太陽能電池模塊研究成果(Nature, 2017, 550, 92)之后在鈣鈦礦器件穩定性方面的又一個重要進展。該團隊相信，在相關領域科研工作者的共同努力下，鈣鈦礦太陽能電池成為市場主流發電方式終將實現。我國作為鈣鈦礦太陽能電池研究的重要力量和世界上最大的光伏組件生產國，將最有可能率先實現其產業化。

論文鏈接： https://science.sciencemag.org/content/sci/365/6454/687.full.pdf

本文由第一作者王言博博士供稿。

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