【儀表網 研發快訊】鈣鈦礦太陽能電池因其易于低成本印刷制備且具有高光電轉換效率的優勢，被視為新一代太陽能電池的典型代表，發展前景廣闊。經過十六年的快速發展，其光電轉換效率已從最初的3.8%提升至超過26%，逼近單晶硅太陽能電池水平，但與理論極限效率仍存在一定差距。實現高效率鈣鈦礦太陽能電池的關鍵要素之一是制備高質量鈣鈦礦半導體薄膜。甲基氯化銨(MACl)因能同時降低鈣鈦礦成核勢壘并促進晶體高質量生長，被廣泛作為鈣鈦礦薄膜生長的輔助材料。
近期，中國科學院半導體研究所游經碧研究員領導的團隊發現基于MACl制備的鈣鈦礦薄膜存在垂直方向上氯分布的不均勻的問題，主要原因是MACl中的氯離子在鈣鈦礦結晶過程中迅速遷移至上表面引起富集。這種不均勻的氯分布會誘發鈣鈦礦上表面產生缺陷和界面電子勢壘，引起載流子復合損失，阻礙載流子輸運，制約了器件光電轉換效率的進一步提升，同時影響其長期運行穩定性。
針對傳統生長方法導致鈣鈦礦中氯元素分布不均的問題，團隊提出了垂直方向均勻化氯元素分布的策略(HVCD)：通過在鈣鈦礦薄膜生長中引入堿金屬草酸鹽，利用解離出的鉀離子與氯離子之間的強結合作用，有效束縛氯元素的垂直無序遷移，使其在鈣鈦礦材料中均勻分布。基于這一方法，研究團隊成功制備出載流子壽命高達20微秒，界面缺陷態密度低至1013每立方厘米的鈣鈦礦半導體薄膜，顯著抑制了由鹵素Cl元素上表面富集引起的載流子復合(圖1)，并消除了界面電子勢壘。
基于所開發的氯元素均勻分布的鈣鈦礦薄膜，團隊研制出經多家權威機構認證、光電轉換效率為27.2%的鈣鈦礦太陽能電池原型器件。器件在1個標準太陽光和最大功率輸出點條件下持續運行1529小時后，仍保持初始效率的86.3%。此外，器件在1個標準太陽光與85℃光熱耦合加速老化條件下，持續運行1000小時后仍能維持初始效率的82.8%(圖2)。該研究實現了鈣鈦礦太陽能電池效率與穩定性方面的協同提升，將為其產業化發展提供重要支撐。
該研究成果以“Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells”為題，發表于《科學》(Science)期刊(Science, 2025, 390，638-642)。半導體所博士后熊壯為論文第一作者，博士生張謙為共同第一作者，游經碧研究員為通訊作者，半導體所張興旺研究員、蔣琦研究員以及蘇州大學李耀文教授等為論文共同作者。該研究獲得了國家重點研發計劃、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、國家自然科學基金委聯合基金集成項目以及廈門豐熤光電科技有限公司等的資助。
圖1 (A-B) 氯離子均勻化前后鈣鈦礦上下表面的光致發光光譜，(C) 氯離子均勻化前后鈣鈦礦的載流子壽命，(D-E) 均勻化調控前后各離子在垂直方向上的分布情況，(F) 均勻化調控前后鈣鈦礦薄膜垂直方向上缺陷態密度分布情況，(G) 堿金屬草酸鹽實現氯離子均勻化分布調控的機理示意圖。
圖2 (A) 參考器件和氯均勻化器件在標準太陽光條件下的電流-電壓曲線(正反向測量)，(B)參考器件和氯均勻化器件穩態輸出效率曲線，(C)參考器件和氯均勻化器件1529小時穩態輸出效率曲線(40-50oC，1個太陽光)，(D)參考器件和氯均勻化器件在85oC條件下老化的歸一化效率變化情況，(E) 參考器件和氯均勻化器件在1個標準太陽光和85oC耦合條件穩態輸出歸一化效率變化情況(用于熱穩定性和加速老化測試的器件為非標準工藝制備)。
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