半導(dǎo)體所鈣鈦礦太陽(yáng)電池研究獲進(jìn)展

　　近幾年，有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)電池被廣泛關(guān)注。該材料具有帶隙可調(diào)、吸收系數(shù)高、載流子壽命長(zhǎng)和載流子遷移率高等優(yōu)點(diǎn)。鈣鈦礦太陽(yáng)電池被報(bào)道的最高效率已超過(guò)20%。近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中科院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王占國(guó)課題組，在鈣鈦礦太陽(yáng)電池載流子輸運(yùn)管理研究方面取得了新進(jìn)展。

　　作為有源層的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料對(duì)電池效率起關(guān)鍵作用，而單純依靠?jī)?yōu)化鈣鈦礦薄膜來(lái)提高電池的效率已處于瓶頸期。這需要針對(duì)光電轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程，對(duì)電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在此背景下，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了典型的P–I–N結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了鈣鈦礦太陽(yáng)電池內(nèi)部光生激子產(chǎn)生、分離，以及載流子輸運(yùn)和收集的影響因素。

　　1、陰極功函數(shù)的作用機(jī)制

　　電極功函數(shù)與有源層費(fèi)米能級(jí)的差值影響能帶彎曲和界面層偶極矩，這對(duì)載流子輸運(yùn)有重要影響。采用典型的倒結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)電池，控制金屬緩沖層的功函數(shù)調(diào)整電池有源層界面處的能帶彎曲，有利于電子的輸運(yùn)和收集，進(jìn)而促進(jìn)光生激子的產(chǎn)生和分離效率。該研究成果發(fā)表在Small上，研究工作得到科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）的資助。

　　2、載流子的輸運(yùn)管理

　　從高效分離、輸運(yùn)和收集光生載流子的角度來(lái)設(shè)計(jì)高效倒結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)電池。采用乙酰丙酮鋯（ZrAcac）修飾Al電極，使PC61BM電子遷移率提高，同時(shí)降低缺陷態(tài)密度，表現(xiàn)為電池中電荷輸運(yùn)電阻降低，實(shí)現(xiàn)陰極對(duì)電子的高效收集；采用Cu摻雜優(yōu)化NiOx空穴傳輸層，Cu的存在可以提升NiOx層的空穴遷移率，同時(shí)Cu摻雜可調(diào)整NiOx的能級(jí)位置，在開(kāi)路電壓損失最小的情況下，達(dá)到有利于空穴傳輸?shù)哪康?；采用高電?dǎo)率的FTO玻璃襯底，可避免在NiOx退火時(shí)造成陽(yáng)極電導(dǎo)率的衰退，使電池中電荷輸運(yùn)電阻進(jìn)一步降低，提高電池的填充因子。電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.5%。研究成果發(fā)表在Energy & Environmental Science上，研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）的資助。

　　論文鏈接：1 2 

　　圖1.（a）不同陰極功函數(shù)電池的Jph隨Veff的變化曲線，插圖為對(duì)應(yīng)電池的Gmax值（b）不同陰極功函數(shù)電池的P(E,T)隨Veff的變化曲線，插圖為在短路電流狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)電池的P(E,T)，

圖2.鈣鈦礦太陽(yáng)電池IV曲線和能帶結(jié)構(gòu)示意圖（左），鈣鈦礦太陽(yáng)電池截面的SEM圖（右）。