我国学者与海外合作者在钙钛矿太阳电池新结构取得进展

图1 PIC（porous insulator contact）结构的设计原理和器件仿真

图2 基于纳米片尺寸效应调控岛状生长模式实现PIC结构

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52172246）等资助下，中国科学技术大学徐集贤教授团队与合作者在钙钛矿太阳电池新结构方面取得进展，相关成果以“通过一种多孔绝缘接触减少钙钛矿太阳电池中的非辐射复合（Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact）”为题于2023年2月17日发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3126。

　　钙钛矿太阳电池技术近些年引起了广泛关注，其主要器件类型包括钙钛矿单结、晶硅-钙钛矿叠层、全钙钛矿叠层电池等，有望提供新的低成本高效率光伏方案。钙钛矿电池中，异质结接触问题带来的非辐射复合损失已经被普遍证明是主要的性能限制因素。由于“钝化-传输”矛盾问题的存在，超薄钝化层纳米级别的厚度变化都会引起填充因子和电流密度的降低。因此各类钙钛矿器件都亟需一种新型的接触结构，能够在提高性能的同时大幅减少钝化厚度的敏感性。

　　该研究团队经过长期思考和大量实验探索，提炼出一种PIC接触结构方案（图1）。其主要思想是不依赖传统的纳米级钝化层和遂穿传输，直接使用百纳米级厚度的多孔绝缘层，迫使载流子通过局部开孔区域进行传输，同时降低接触面积。该研究团队利用半导体器件建模计算揭示了PIC结构周期应该与钙钛矿载流子传输长度匹配的关键设计原理。PIC方案与晶硅太阳能电池领域的局部接触技术有异曲同工之妙，但是不同的是，钙钛矿中的载流子扩散长度较单晶硅要短很多，从毫米级别大幅减小到微米甚至更短，这就要求PIC的尺寸和结构周期要在百纳米级别。对此，该团队巧妙利用了纳米片的尺寸效应，通过PIC生长方式从常规“层+岛”（Stranski-Krastanov）模式向“岛状”（Volmer-Weber）模式的转变，实现由低温低成本的溶液法制备这种纳米结构（图2）。

　　该团队就叠层器件中广泛使用的p-i-n反式结构中开展了PIC方案的验证，首次实现了空穴界面复合速度从～60 cm/s 下降至10 cm/s，及25.5%的单结最高效率（p-i-n结构稳态认证效率纪录24.7%）。这种性能的大幅改善在多种带隙和组分的钙钛矿中都普遍存在，展现了PIC广泛的应用前景。另外，PIC结构在多种疏水性基底都实现了钙钛矿成膜覆盖率和结晶质量的提高（载流子体相寿命大幅提升），对于大面积扩大化制备也很有意义。

　　该研究团队提出的PIC方案具有普遍性，可进一步在不同器件结构和不同界面中推广拓展，为设计制备钙钛矿太阳电池新结构提供了新思路。