研究背景

寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池在疊層電池、半透明器件、室內(nèi)光伏等領(lǐng)域具有重要意義，尤其是作為鈣鈦礦基多結(jié)疊層太陽能電池不可或缺的一部分，效率潛力超過40%。然而寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池存在嚴重的開路電壓損失和相分離問題，影響了其光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。溶液法制備的多晶寬帶隙鈣鈦礦薄膜中存在很多缺陷，一方面這些缺陷會作為載流子復合中心引起嚴重的非輻射復合，從而導致電壓損失。

另一方面，寬帶隙鈣鈦礦薄膜表面或晶界處的缺陷會成為水汽、空氣等入侵鈣鈦礦的通道，會降低寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。二維鈣鈦礦由于具有絕緣間隔層，已經(jīng)被證明可以解決鈣鈦礦的不穩(wěn)定性問題。但由于量子阱和介電效應(yīng)的限制，其效率遠不如3D鈣鈦礦。

成果簡介

西南石油大學于華教授團隊通過二胺有機鹽2, 2’-(乙烯二氧)雙乙胺氫碘酸鹽(EDBEI2)對3D寬帶隙鈣鈦礦進行表面鈍化，能夠在3D寬帶隙鈣鈦礦表面原位生成Dion-Jacobson型2D鈣鈦礦，從而構(gòu)建了一種2D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以平衡高效率和穩(wěn)定性的問題。研究發(fā)現(xiàn)，采用EDBEI2鈍化后減少了寬帶隙鈣鈦礦薄膜的表面缺陷和鈣鈦礦/spiro-OMeTAD界面處的電荷復合。

同時，2D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化了鈣鈦礦/spiro-OMeTAD界面的能級結(jié)構(gòu)，促進了界面處的空穴抽取和轉(zhuǎn)移，從而減少了開路電壓損失，使得帶隙為1.75 eV鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了1.28 V的開路電壓為和18.85%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，由于Dion-Jacobson型2D鈣鈦礦優(yōu)異的疏水性，使得鈍化后寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性得到提高。

圖1 (a)EDBEI2鈍化后鈣鈦礦晶體的示意圖，(b)EDBEI2鈍化前后電池的J-V曲線，(c)EDBEI2鈍化前后對電池穩(wěn)定性的影響

審核編輯：劉清