3月15日，《Science》雜志刊發(fā)華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心韓宏偉教授團(tuán)隊(duì)的研究論文“Electron injection and defect passivation for high-efficiency mesoporous perovskite solar cells”《電子注入和缺陷鈍化機(jī)制助力高性能介觀鈣鈦礦太陽能電池》。研究顯示，不同于傳統(tǒng)p-n結(jié)器件光電轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)過程，介觀鈣鈦礦太陽能電池電荷分離采用載流子3D注入機(jī)制，結(jié)合界面鈍化，基于碳電極的無空穴傳輸層可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率獲得大幅提升，突破了全濕法制備光伏器件效率低的傳統(tǒng)認(rèn)知。

為實(shí)現(xiàn)低成本光伏發(fā)電，基于固相晶錠切片工藝的晶硅電池、基于真空氣相沉積工藝的薄膜電池以及基于濕法加工工藝的新興太陽能電池先后被研制出來。其中，新興太陽能電池可利用低成本的濕法涂膜設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)便加工，被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)低成本制造的技術(shù)。然而，相較于晶硅或薄膜電池，新興太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率和工作穩(wěn)定性方面面臨巨大挑戰(zhàn)，其根本原因是濕法加工制備的薄膜本身處于非晶狀態(tài)或結(jié)晶質(zhì)量較差，其光生載流子壽命短且傳輸速度慢；同時(shí)存在“針孔”等形貌缺陷，不利于大尺寸組件的制備進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品良品率低；此外，結(jié)晶質(zhì)量不高的薄膜或薄膜材料本身如鈣鈦礦吸光層在光熱電等作用下容易退化，導(dǎo)致載流子傳輸能力的進(jìn)一步下降，從而帶來器件性能的衰減。

為此，韓宏偉教授團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了可全濕法加工的可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池，其特點(diǎn)是在單一導(dǎo)電襯底上逐層印刷介孔二氧化鈦層、介孔二氧化鋯層及介孔碳電極層，之后填注鈣鈦礦材料到三層介孔膜結(jié)構(gòu)中即完成器件的制備。2014年，團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次報(bào)道了光照穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池，研究成果“改變了人們對(duì)鈣鈦礦太陽能電池‘本質(zhì)上不穩(wěn)定’的看法” 【Science 345, 295 (2014)】；2018年，團(tuán)隊(duì)以研制的3600cm²尺寸的可印刷介觀鈣鈦礦太陽能模組組裝了110平米實(shí)驗(yàn)性示范系統(tǒng)【Science 361, 1214 (2018）】，充分展示了該器件在成本控制、穩(wěn)定性及大面積制備等方面的巨大優(yōu)勢(shì)。然而，依據(jù)傳統(tǒng)p-n結(jié)理論，空穴傳輸層的缺失使得鈣鈦礦吸光材料與碳電極直接接觸導(dǎo)致嚴(yán)重的復(fù)合，進(jìn)而影響效率的提升。

在本工作中，通過模擬仿真及載流子動(dòng)力學(xué)測(cè)試，三層介孔膜結(jié)構(gòu)器件展現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)p-n結(jié)電荷分離機(jī)制。在傳統(tǒng)平面堆疊光伏器件中，光生載流子（空穴和電子）產(chǎn)生后在吸光層中長(zhǎng)距離遷移，然后在空穴傳輸層（或電子傳輸層）界面被選擇性提取，對(duì)應(yīng)的電子傳輸層（或空穴傳輸層）起著阻擋異種載流子（空穴或電子）復(fù)合的作用，因此在傳統(tǒng)太陽能電池中電子傳輸層及空穴傳輸層的存在是獲取高光電轉(zhuǎn)化效率的必要條件。而在三層介孔膜結(jié)構(gòu)的可印刷介觀太陽能電池中，吸光材料被局域在三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電子傳輸層納米孔中，吸光材料所產(chǎn)生的光生電子通過3D注入過程快速有效的注入到介觀電子傳輸層中，電子和空穴分別在電子傳輸層和吸光材料層中傳輸。這種介孔膜中載流子3D注入過程解耦了充分吸收光所需的吸收層厚度與確保電荷充分收集所需的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度之間的矛盾，在電子傳輸層/鈣鈦礦界面，而不是在鈣鈦礦/碳界面的復(fù)合，是導(dǎo)致電壓損失的主要原因，因此無空穴傳輸層的阻擋，三層介孔膜結(jié)構(gòu)的可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池也可獲得超高的光電轉(zhuǎn)化效率。為此，針對(duì)多孔電子傳輸層內(nèi)表面氧空位缺陷帶來的性能損失關(guān)鍵制約，利用由軟路易斯酸陽離子與硬路易斯堿陰離子構(gòu)成的鹽鈍化劑進(jìn)行處理，促使氧空位電離釋放所束縛的電子，有效鈍化了氧空位，成功將可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池效率提升至第三方認(rèn)證的22.3%。與此同時(shí)，57.5cm²微型模組開口面積效率達(dá)18.2%，模組中單條子電池的電壓超過1.1伏。

該工作創(chuàng)新性的提出了載流子3D注入機(jī)制。下一步，通過對(duì)介觀光電子學(xué)的深入研究，有望為基于全濕法工藝的下一代高性能光伏，乃至電致發(fā)光、光電探測(cè)器件的超低成本大面積制造提供可行方案和理論支撐。

華中科技大學(xué)為唯一通訊作者單位，華中科技大學(xué)劉佳樂、武漢萬度光能研究院陳夏巖、華中科技大學(xué)陳開中、中科院大連化學(xué)物理研究所田文明為共同第一作者。華中科技大學(xué)韓宏偉教授、梅安意教授、凌福日副教授為共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了武漢萬度光能研究院在器件制備、大連化學(xué)物理研究所金盛燁研究員團(tuán)隊(duì)、西安交通大學(xué)蘇亞瓊研究員團(tuán)隊(duì)、中國(guó)華電集團(tuán)李小江研究員、李嘯宇博士等在載流子動(dòng)力學(xué)分析、第一性原理計(jì)算等方面的幫助。同時(shí)，該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金集成項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年科學(xué)基金項(xiàng)目以及中科院青年基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等項(xiàng)目支持。

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