Science發(fā)文 上海交大 供圖

擁有優(yōu)異的光電性能，卻天生體格“柔弱”，這是光伏新星——鈣鈦礦太陽能電池——所面臨的“成長的煩惱”。

上海交通大學材料科學與工程學院教授韓禮元團隊通過構(gòu)建穩(wěn)定異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在保證高效率的前提下，提高了鈣鈦礦太陽能電池在工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性，對促進鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化進程起重要作用。該項研究成果近日在線發(fā)表在《Science》。

鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型光伏技術(shù)，具有成本低、效率高的特點，目前，世界最高光電轉(zhuǎn)化效率紀錄已達到25%。

作為一種半導體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)光電器件，鈣鈦礦太陽能電池通過鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導體材料組成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來有效分離和提取光生電荷，實現(xiàn)由光能向電能的轉(zhuǎn)換，但鈣鈦礦電池異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)固，一旦異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞，電池性能就會顯著降低。

究其主要原因，在于由離子組成的鈣鈦礦半導體天生結(jié)構(gòu)“柔弱”，工作條件下，受光照、電場、溫度等作用的影響，產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)缺陷，導致半導體材料發(fā)生結(jié)構(gòu)改變甚至分解。分解逃逸出來的離子還會進入電荷傳輸層或電極層，破壞異質(zhì)結(jié)的光電轉(zhuǎn)換功能，造成整體器件效率的顯著降低，因此穩(wěn)固鈣鈦礦太陽能電池中“柔弱”的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，保護光生電荷的分離和提取過程，成為解決穩(wěn)定性難題的一個重要研究方向。

圖A，富鉛鈣鈦礦薄膜制備過程；圖B，氯化氧化石墨烯覆蓋于鈣鈦礦薄膜表面；圖C，D，E，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中氯-鉛鍵，氧-鉛鍵形成；圖F，G，H，穩(wěn)定性表征：不同異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，電荷傳輸層表面電勢分布。上海交大 供圖

為此，韓禮元團隊設計制備了具有穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要包含一層表面富鉛鈣鈦礦半導體薄膜，且在薄膜表面沉積氯化氧化石墨烯薄膜，形成氯-鉛鍵、氧-鉛鍵，將兩層薄膜結(jié)合在一起。

光學、電學等表征實驗結(jié)果表明，該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可有效減少鈣鈦礦半導體薄膜的分解和缺陷的產(chǎn)生，同時，減少了逃逸離子對電荷傳輸層功能性的破壞。

具有該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池，在一個標準太陽光光強和60攝氏度條件下連續(xù)工作1000小時后，保有初始效率的90%，而且，電池的穩(wěn)態(tài)輸出效率通過了國際公認電池評測機構(gòu)——日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）光伏技術(shù)研究中心的認證。

該研究團隊的工作提供了一種通過構(gòu)建穩(wěn)固的異質(zhì)結(jié)來提高鈣鈦礦太陽電池穩(wěn)定性的方法，向鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化邁出重要一步。

最新統(tǒng)計結(jié)果顯示，中國研究單位在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的成果數(shù)量已占全球總量的40%。