近日，華東師範大學教授方俊鋒團隊和中科院寧波材料所副研究員李曉冬合作，在《科學》雜誌發表論文，介紹了他們在反型鈣鈦礦太陽能電池研究方面的最新科研成果。“（該研究）創造了新的反型鈣鈦礦電池效率世界記錄，首次實現轉化效率大於24%的反型鈣鈦礦電池。”《科學》雜誌審稿人評價說。
表面硫化及能帶彎曲示意圖 受訪者供圖
另一位審稿人則認為：（該研究）突破了反型器件效率低，這一長期困擾鈣鈦礦電池發展的瓶頸問題，為鈣鈦礦電池研究開闢了新的思路與方向。
有望實現低成本光伏發電
在全球氣候變化和“雙碳”目標下，光伏技術發展受到世界各國的廣泛重視。鈣鈦礦太陽能電池成本低、效率高，被認為是最有希望實現低成本發電的新型光伏技術之一。
鈣鈦礦型太陽能電池（perovskite solar cells）是利用鈣鈦礦型“有機—金屬鹵化物雜化”半導體作為吸光材料的太陽能電池，屬於第三代太陽能電池，也被稱作新概念太陽能電池。
“鈣鈦礦電池分為正型N-I-P電池和反型P-I-N電池。相對正型鈣鈦礦，反型鈣鈦礦電池有其自身優勢，可低溫製備、工藝簡單、穩定性好，同時能和晶硅電池兼容，實現疊層電池的製備。反型鈣鈦礦/晶硅疊層是鈣鈦礦電池商業化應用的路徑之一。”方俊鋒告訴《中國科學報》。
此外，反型鈣鈦礦電池無需使用具有光催化活性的TiO2以及摻雜的有機空穴傳輸層，光照下的輸出穩定性更好，因此更具發展潛力。
“儘管反型器件具有諸多優勢，但目前高效率的鈣鈦礦電池基本上都是正型器件。正型鈣鈦礦電池效率已達到25%，而反型鈣鈦礦電池的最高效率仍維持在22%~23%。”方俊鋒說，“因此，如何縮小正反型器件效率差距，實現高效穩定反型器件的製備，一直是鈣鈦礦電池研究領域的焦點和難點問題。”
電池效率創新高
經過反覆實驗論證，該課題組採用構築表面異質結，提高器件內建電場的思路，首先在鈣鈦礦表面旋塗上吡啶-2-羧酸鉛製備富鉛層，隨後用高反應活性的六甲基二硅硫醚進行硫化，原位形成PbS-I層，實現鈣鈦礦表面費米能級的上移和能帶彎曲，從而在鈣鈦礦界面處引入額外背場，構建出高效的界面異質結，在抑制界面複合的同時，還顯著提高器件開路電壓。
基於此方法，研究人員用穩定性好的含羧酸基團聚噻吩衍生物作為空穴傳輸層，富勒烯衍生物PCBM作為電子傳輸層，首次將反型鈣鈦礦電池的轉化效率提高到24%以上。
“通過構築性能優異的界面異質結，使鈣鈦礦表面的費米能級上移，從而在界面處引入一個額外電場，抑制界面複合，是實現反型電池高效率的主要原因。”該論文第一作者李曉冬對《中國科學報》說。
瞄準“雙碳”融合創新
除了提高反型鈣鈦礦電池的轉化效率，該研究還實現了電池穩定性的大幅提升。
“對於所有太陽能電池來說，沒有穩定性就無法實際應用。”李曉冬說，“對鈣鈦礦電池來說，穩定性格外重要，這也是目前制約鈣鈦礦電池走向商業化的瓶頸。”
在研究中他們發現，Pb-S鍵強度遠高於鈣鈦礦中的Pb-I鍵，可以有效抑制老化過程中鈣鈦礦的衰減，同時Pb-S與鈣鈦礦的晶格參數接近，能夠進一步穩定鈣鈦礦的晶體結構，從而實現電池穩定性的大幅提升。實驗表明，利用Pb-S鍵，電池經過2200小時的高溫（85 oC）加速老化，效率可以保持在初始值的91.8%。光照下（55 oC±5 oC），經過1000小時的連續最大功率輸出加速老化測試，效率也能穩定在初始值的90%以上。
“這為反型鈣鈦礦電池研究提供了一個新的思路與方向。” 方俊鋒說，“通過合理優化設計，完全可以實現兼具高效率和高穩定性的反型鈣鈦礦電池。”
鈣鈦礦電池作為當前最具潛力的新型光伏技術，在國家宏觀政策、產業界的支持以及科研人員的配合下，極有希望走向大規模商業應用。
“未來將繼續圍繞高效穩定的反型鈣鈦礦電池深入研究，探索構建高效界面異質結的新方案，進一步提升器件效率和穩定性。”談及這項研究的應用前景，方俊鋒表示，“同時，我們也會開展一些大面積鈣鈦礦電池模組研究，推動鈣鈦礦電池走向實用化。”
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.abl5676