近幾年，有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池被廣泛關(guān)注。該材料具有帶隙可調(diào)、吸收系數(shù)高、載流子壽命長和載流子遷移率高等優(yōu)點。鈣鈦礦太陽電池被報道的最高效率已超過20%。近日，中國科學院院士、中科院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室王占國課題組，在鈣鈦礦太陽電池載流子輸運管理研究方面取得了新進展。
作為有源層的有機無機雜化鈣鈦礦材料對電池效率起關(guān)鍵作用，而單純依靠優(yōu)化鈣鈦礦薄膜來提高電池的效率已處于瓶頸期。這需要針對光電轉(zhuǎn)換的物理過程，對電池結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)設(shè)計。在此背景下，該團隊構(gòu)建了典型的P–I–N結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了鈣鈦礦太陽電池內(nèi)部光生激子產(chǎn)生、分離，以及載流子輸運和收集的影響因素。
1、陰極功函數(shù)的作用機制
電極功函數(shù)與有源層費米能級的差值影響能帶彎曲和界面層偶極矩，這對載流子輸運有重要影響。采用典型的倒結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池，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，有利于電子的輸運和收集，進而促進光生激子的產(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家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）的資助。
2、載流子的輸運管理
從高效分離、輸運和收集光生載流子的角度來設(shè)計高效倒結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池。采用乙酰丙酮鋯（ZrAcac）修飾Al電極，使PC61BM電子遷移率提高，同時降低缺陷態(tài)密度，表現(xiàn)為電池中電荷輸運電阻降低，實現(xiàn)陰極對電子的高效收集；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Cu摻雜可調(diào)整NiOx的能級位置，在開路電壓損失最小的情況下，達到有利于空穴傳輸?shù)哪康模徊捎酶唠妼实腇TO玻璃襯底，可避免在NiOx退火時造成陽極電導率的衰退，使電池中電荷輸運電阻進一步降低，提高電池的填充因子。電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到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家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）的資助。
（來源：中科院半導體研究所）
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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，對應(yīng)電池的P(E,T)，
圖2.鈣鈦礦太陽電池IV曲線和能帶結(jié)構(gòu)示意圖（左），鈣鈦礦太陽電池截面的SEM圖（右）。
（來源：中科院半導體研究所）
