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南方科技大學 “分子擠出”新工藝破解反式鈣鈦礦光伏技術難題
文章來源:中國科學報     更新時間:2023-06-27 15:26:37
本報訊(記者刁雯蕙)近日,南方科技大學教授何祝兵團隊在反式鈣鈦礦光伏電池領域實現重要突破。研究成果發表于《自然》。

反式鈣鈦礦光伏電池因簡單的器件結構、顯著的成本下降潛力和關鍵材料的選擇多樣性廣受關注。然而,由于晶格雜質離子容忍度低,目前針對鈣鈦礦導電類型的可控摻雜仍是關鍵難題;此外,作為非發光性深能級缺陷,鈣鈦礦體相晶界缺陷也是阻礙器件性能進一步提升的主要原因。因此,開發一種能同時實現鈣鈦礦可控摻雜與晶界鈍化的工藝,是當前高效鈣鈦礦光伏技術產業化面臨的重要挑戰。

對此,何祝兵團隊基于化學配位思想提出了一種全新的“分子擠出”工藝策略。帶有磷酸錨定基團的p型吖啶小分子在鈣鈦礦成膜過程中被完美地擠出至晶界和底部,從而對鈣鈦礦晶界和表面實現全面的覆蓋鈍化,深能級缺陷態密度降低至1013量級。同時,鈣鈦礦晶粒表面與吖啶分子之間存在基于“電荷轉移復合體”機制的明顯電子轉移,從而實現了鈣鈦礦的強p型摻雜,構筑了能級失配僅為0.21eV的肖特基結,顯著提高了界面空穴傳輸效率。

在無預置空穴傳輸層的鈣鈦礦電池領域,器件效率從22.20%提升至25.86%,第三方認證效率達到25.39%,創下反式鈣鈦礦電池的世界紀錄。經過1000小時標準太陽光暴曬,器件效率仍保持初始效率的96.6%,而無晶界鈍化的參考電池暴曬500小時后,器件效率衰減超過20%。

該研究采用紅外原子力顯微鏡輔以二次離子質譜技術,直接呈現了吖啶分子在鈣鈦礦薄膜晶界和表面的分布,澄清了前人關于無空穴傳輸層電池中功能分子的分布猜測,指出連續的“分子擠出”薄層是實現高性能器件的關鍵因素。

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