我国钙钛矿电池新结构方案实现一项新世界纪录

发布者：无非笑笑而已 2023-2-20 14:32

【环球网科技综合报道】2月20日消息，记者从中科院官网了解到，中国科学技术大学教授徐集贤团队与合作者，针对钙钛矿太阳电池中长期普遍存在的“钝化-传输”矛盾问题，提出了命名为PIC（porous insulator contact，多孔绝缘接触）的新型结构和突破方案，基于严格的模型仿真和实验给出了PIC方案的设计原理和概念验证，实现了p-i-n反式结构器件稳态认证效率的世界纪录，并在多种基底和钙钛矿组分中展现了普遍的适用性。

近日，相关研究成果以《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》为题，发表在《科学》上。

据介绍，“钝化-传输”矛盾问题在光电子器件中（如太阳电池、发光二极管、光电探测器等）普遍存在。为了减少半导体表面的非辐射复合损失，需要覆盖钝化层来减少半导体表面缺陷密度。这些钝化材料的导电率一般较低，增加其厚度会增强钝化效果，但同时导致电流传输受限。由于这个矛盾，目前这些超薄钝化层的厚度需要极为精确的控制在几个甚至一个纳米内（nm，十亿分之一米），载流子通过遂穿效应等厚度敏感方式进行传输，对于低成本的大面积生产不利。

而且，钙钛矿太阳电池技术近些年引起广泛关注，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，有望在传统晶硅太阳电池之外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均会引起填充因子和电流密度的降低。因此，各类钙钛矿器件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。

对此，科研团队经过长期思考和大量实验探索，提炼出这种PIC接触结构方案。该研究的主要思想是不依赖传统纳米级钝化层和遂穿传输，而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。

研究团队的半导体器件建模计算揭示了这种PIC结构周期应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，然而，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，这要求PIC的尺寸和结构周期要在百纳米级别。传统的晶硅局部接触工艺不能直接满足这种精度要求，而使用高精度微纳加工技术在制备面积和成本方面存在不足。面对这一挑战，科研人员巧妙地利用纳米片的尺寸效应，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，采用低温低成本的溶液法实现了这种纳米结构的制备。

基于纳米片尺寸效应调控岛状生长模式实现PIC结构