中國粉體網訊 太陽電池產業在國民經濟中具有十分重要的戰略地位和可觀的發展前景。鈣鈦礦太陽電池是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料，通過光電效應直接把光能轉化成電能的裝置，屬于第 3 代太陽電池。
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近期，中科院合肥研究院固體所能源材料與器件制造研究部潘旭研究員團隊與中科大肖正國教授課題組合作在鈣鈦礦太陽能電池方向取得新進展。研究人員制備了理想帶隙為1.33 eV的鉛錫混合鈣鈦礦作為太陽能電池吸收層，通過定向錨定策略(STA)對鈣鈦礦空位缺陷進行精確鈍化處理，獲得了22.51%的光電轉化效率(PCE)記錄，有望超越傳統鉛基鈣鈦礦太陽電池。
目前，有機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)已經取得了巨大突破，其最高光電轉換效率提高到25.8%(認證為25.7%)。而傳統的鉛基鈣鈦礦材料的禁帶寬度在1.5 ~ 1.7 eV范圍內，根據Shockley-Queisser (S-Q)模型，當吸收層帶隙為1.33 eV時，電池具有最高的理論極限效率。采用Sn部分取代或全部取代Pb可以降低鈣鈦礦帶隙，當Sn比例為20%時，帶隙能降至理想值1.33 eV左右。但20% Sn含量是鈣鈦礦帶隙變化的臨界值，其中存在大量的缺陷，導致非輻射復合造成嚴重的開路電壓損失(VOC loss)。根據以往的研究，造成開路電壓損失的具體原因主要有兩個：(1) Sn2+易氧化成Sn4+引起嚴重的自p摻雜，形成Sn空位并引入額外的p型電荷；(2) Sn與有機組分的反應強于Pb，使得結晶過程過快和不受控，導致薄膜質量較差，缺陷密度增加。
基于此，研究人員通過定向選擇錨定策略對鈣鈦礦進行鈍化處理，獲得了理想帶隙鈣鈦礦太陽能電池22.51%的光電轉化效率記錄。研究結果表明，鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池中雙金屬的缺陷是導致其性能退化的主要原因，因此研究人員采用2-苯乙胺氫碘酸鹽 (PEAI)和乙二胺氫碘酸鹽 (EDAI)作為共修飾劑對鈣鈦礦進行表面處理，分別選擇性錨定與Pb和Sn相關的活性位點并對兩種金屬缺陷進行鈍化。最終鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓(VOC)從0.79 V大幅提高到0.90 V，開路電壓的損失降低到0.43 V。此外，器件表現出了極佳的穩定性，在氮氣手套箱中存儲2700小時后，仍可以保持初始效率的80%。該工作為鉛錫鈣鈦礦太陽能電池管理金屬雙源缺陷提供了一個有效的鈍化機制。
參考來源：
【1】王愛麗，等.鈣鈦礦太陽能電池的研究進展與關鍵挑戰.硅酸鹽學報.2021.
【2】中國科學院固體物理所. 固體所在高效率鈣鈦礦太陽電池研究方面提出新思路.2022.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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