北京大學(xué)物理學(xué)院“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”的朱瑞研究員、龔旗煌院士與合作者展開研究，首次采用“胍鹽輔助二次生長(zhǎng)”技術(shù)調(diào)控鈣鈦礦半導(dǎo)體特性，在提升反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能方面取得了突破性成果，創(chuàng)下了該類太陽(yáng)能電池器件效率的最高記錄。相關(guān)研究于2018年6月29日在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上發(fā)表(Enhanced photovoltage for inverted planar heterojunction perovskite solar cells，Science, Vol. 360, Issue 6396, pp. 1442-1446, DOI: 10.1126/science.aap9282)。

圖1. 左：反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。右：電池器件在正向電壓（2 V）下的發(fā)光照片（表明電池器件具有較低的非輻射復(fù)合能量損失）。

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，由工業(yè)生產(chǎn)所導(dǎo)致的能源和環(huán)境圖1. 左：反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。右：電池器件在正向電壓（2 V）下的發(fā)光照片（表明電池器件具有較低的非輻射復(fù)合能量損失）。問(wèn)題日益凸顯，化石燃料(石油、煤炭、天然氣等)的有限儲(chǔ)量及其燃燒帶來(lái)的全球變暖等問(wèn)題促使人們不斷地尋找和開發(fā)綠色可再生的新型能源。太陽(yáng)能具有清潔、無(wú)污染、分布廣泛且能量充分的優(yōu)勢(shì)，是有希望獲得大規(guī)模應(yīng)用的新型能源之一。太陽(yáng)能電池利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能，受到來(lái)自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究，也得到了各國(guó)政府的大力支持。

近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池以其制備簡(jiǎn)單、成本低和效率高的優(yōu)勢(shì)迅速崛起成為新型光伏技術(shù)領(lǐng)域的新寵，其光電轉(zhuǎn)換效率在短短八年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了跳躍式增長(zhǎng)，目前報(bào)道的最高效率已達(dá)到商業(yè)化單晶硅太陽(yáng)能電池的效率水平，表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池分為正式(n-i-p)和反式(p-i-n)兩種器件結(jié)構(gòu)。相比于正式器件，反式結(jié)構(gòu)器件因制備工藝更加簡(jiǎn)單、可低溫成膜、無(wú)明顯回滯效應(yīng)、適合與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池(硅基電池、銅銦鎵硒等)結(jié)合制備疊層器件等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是，反式結(jié)構(gòu)器件也存在一些顯著不足，例如，開路電壓與理論值差距較大、光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)偏低，這主要是由于器件中存在大量的缺陷所導(dǎo)致。這些缺陷主要存在于鈣鈦礦活性層中、鈣鈦礦活性層與電荷收集層界面處，造成了光生載流子的非輻射復(fù)合，進(jìn)而致使能量損失嚴(yán)重，最終限制了開路電壓的提升和光電轉(zhuǎn)換效率的改善，制約了該類結(jié)構(gòu)器件的發(fā)展。

針對(duì)反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在光電轉(zhuǎn)換效率上存在的瓶頸，朱瑞研究員、龔旗煌院士與合作者展開研究，首次提出了“胍鹽輔助輔助二次生長(zhǎng)”方法，開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜半導(dǎo)體特性的調(diào)控，顯著降低了器件中非輻射復(fù)合的能量損失，在提升器件開路電壓方面取得了突破，首次在反式結(jié)構(gòu)器件中獲得了超過(guò)1.21 V的高開路電壓(材料帶隙寬度~1.6 eV)。同時(shí)，在不損失光電流和填充因子等性能參數(shù)的情況下，顯著提高了反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率——實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)到21.51%。經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院認(rèn)證，器件的光電轉(zhuǎn)換效率也高達(dá)20.90%，這是目前反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率的最高記錄。該結(jié)果為提升反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率、推進(jìn)該類新型光伏器件的應(yīng)用化發(fā)展提供了新思路。這種制備技術(shù)也有望進(jìn)一步拓展到鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池以及鈣鈦礦發(fā)光器件中，具有潛在的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。