2 月 20 日消息，從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官方公眾號(hào)獲悉，該校徐集賢教授團(tuán)隊(duì)與合作者，針對鈣鈦礦太陽能電池中長期普遍存在的“鈍化 — 傳輸”矛盾問題，提出了一種命名為 PIC（多孔絕緣接觸）的新型結(jié)構(gòu)和突破方案，實(shí)現(xiàn)了 p-i-n 反式結(jié)構(gòu)器件穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率的世界紀(jì)錄，并在多種基底和鈣鈦礦組分中展現(xiàn)了普遍的適用性。相關(guān)研究成果 17 日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
“鈍化-傳輸”矛盾問題在光電子器件中（例如太陽電池、發(fā)光二極管、光電探測器等）普遍存在。為了減少半導(dǎo)體表面的非輻射復(fù)合損失，需要覆蓋鈍化層來減少半導(dǎo)體表面缺陷密度。這些鈍化材料的導(dǎo)電率一般很低，增加其厚度會(huì)增強(qiáng)鈍化效果，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流傳輸受限。因?yàn)檫@個(gè)矛盾，目前這些超薄鈍化層的厚度需要極為精確的控制在幾個(gè)甚至一個(gè)納米內(nèi)（nm, 十億分之一米），載流子通過遂穿效應(yīng)等厚度敏感方式進(jìn)行傳輸，對于低成本的大面積生產(chǎn)不利。
據(jù)鴻騰科技了解知道，鈣鈦礦太陽電池技術(shù)近些年引起了廣泛關(guān)注，其主要器件類型包括鈣鈦礦單結(jié)、晶硅-鈣鈦礦疊層、全鈣鈦礦疊層電池等，有望在傳統(tǒng)晶硅太陽電池之外提供新的低成本高效率光伏方案。鈣鈦礦電池中，異質(zhì)結(jié)接觸問題帶來的非輻射復(fù)合損失已經(jīng)被普遍證明是主要的性能限制因素。由于“鈍化-傳輸”矛盾問題的存在，超薄鈍化層納米級(jí)別的厚度變化都會(huì)引起填充因子和電流密度的降低。因此各類鈣鈦礦器件都亟需一種新型的接觸結(jié)構(gòu)，能夠在提高性能的同時(shí)大幅減少鈍化厚度的敏感性。
團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期思考和大量實(shí)驗(yàn)探索，提煉出這種 PIC 接觸結(jié)構(gòu)方案（圖 1）。其主要思想是不依賴傳統(tǒng)納米級(jí)鈍化層和遂穿傳輸，而直接使用百納米級(jí)厚度的多孔絕緣層，迫使載流子通過局部開孔區(qū)域進(jìn)行傳輸，同時(shí)降低接觸面積。研究團(tuán)隊(duì)的半導(dǎo)體器件建模計(jì)算揭示了這種 PIC 結(jié)構(gòu)周期應(yīng)該與鈣鈦礦載流子傳輸長度匹配的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原理。PIC 方案與晶硅太陽能電池領(lǐng)域的局部接觸技術(shù)有異曲同工之妙，但是不同的是，鈣鈦礦中的載流子擴(kuò)散長度較單晶硅要短很多，從毫米級(jí)別大幅減小到微米甚至更短，這就要求 PIC 的尺寸和結(jié)構(gòu)周期要在百納米級(jí)別。傳統(tǒng)的晶硅局部接觸工藝不能夠直接滿足這種精度要求，而使用高精度微納加工技術(shù)在制備面積和成本方面存在不足。對此挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)巧妙利用了納米片的尺寸效應(yīng)，通過 PIC 生長方式從常規(guī)“層 + 島”（Stranski-Krastanov）模式向“島狀”（Volmer-Weber）模式的轉(zhuǎn)變，成功由低溫低成本的溶液法實(shí)現(xiàn)了這種納米結(jié)構(gòu)的制備（圖 2）。
團(tuán)隊(duì)在疊層器件中廣泛使用的 p-i-n 反式結(jié)構(gòu)中開展了 PIC 方案的驗(yàn)證，首次實(shí)現(xiàn)了空穴界面復(fù)合速度從~60cm / s 下降至 10cm / s (圖 3)，以及 25.5% 的單結(jié)最高效率（p-i-n 結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率紀(jì)錄 24.7%）（圖 4）。這種性能的大幅改善在多種帶隙和組分的鈣鈦礦中都普遍存在，展現(xiàn)了 PIC 廣泛的應(yīng)用前景。另外，PIC 結(jié)構(gòu)在多種疏水性基底都實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦成膜覆蓋率和結(jié)晶質(zhì)量的提高（載流子體相壽命大幅提升），對于大面積擴(kuò)大化制備也很有意義。
值得注意的是，PIC 方案具有普遍性，可進(jìn)一步在不同器件結(jié)構(gòu)和不同界面中推廣拓展；同時(shí)模擬計(jì)算指出目前實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的 PIC 覆蓋面積還遠(yuǎn)未達(dá)到其設(shè)計(jì)潛力，可進(jìn)一步優(yōu)化獲得更大的性能提升。
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