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我国科学技能大学教授徐集贤团队与合作者,针对钙钛矿太阳电池中长时间遍及存在的“钝化-传输”对立问题,提出了命名为PIC(porous insulator contact,多孔绝缘触摸)的新式结构和打破计划,根据严厉的模型仿真和试验给出了PIC计划的规划原理和概念验证,完成了p-i-n反式结构器材稳态认证功率的世界纪录,并在多种基底和钙钛矿组分中展示了遍及的适用性。2月17日,相关研讨成果以《经过一种多孔绝缘触摸削减钙钛矿太阳电池中的非辐射复合》(Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact)为题,宣布在《科学》(Science)上。
“钝化-传输”对立问题在光电子器材中(如太阳电池、发光二极管、光电探测器等)遍及存在。为了削减半导体外表的非辐射复合丢失,需求掩盖钝化层来削减半导体外表缺点密度。这些钝化资料的导电率一般较低,添加其厚度会增强钝化作用,但一起导致电流传输受限。因为这个对立,现在这些超薄钝化层的厚度需求极为准确的控制在几个乃至一个纳米内(nm,十亿分之一米),载流子经过遂穿效应等厚度灵敏方法进行传输,关于低本钱的大面积出产晦气。
钙钛矿太阳电池技能近些年引起广泛重视,首要器材类型包含钙钛矿单结、晶硅-钙钛矿叠层、全钙钛矿叠层电池等,有望在传统晶硅太阳电池之外供给新的低本钱高功率光伏计划。钙钛矿电池中,异质结触摸问题带来的非辐射复合丢失已被遍及证明是首要的功能约束要素。因为“钝化-传输”对立问题的存在,超薄钝化层纳米级其他厚度改变均会引起填充因子和电流密度的下降。因而,各类钙钛矿器材亟需一种新式的触摸结构可以在进步功能的一起大幅削减钝化厚度的灵敏性。
科研团队经过长时间考虑和许多试验探究,提炼出这种PIC触摸结构计划(图1)。该研讨的首要思维是不依赖传统纳米级钝化层和遂穿传输,而直接运用百纳米级厚度的多孔绝缘层,迫使载流子经过部分开孔区域进行传输,一起下降触摸面积。研讨团队的半导体器材建模核算提醒了这种PIC结构周期应与钙钛矿载流子传输长度匹配的要害规划原理。PIC计划与晶硅太阳能电池范畴的部分触摸技能有异曲同工之妙,但是,不同的是,钙钛矿中的载流子分散长度较单晶硅要短许多,从毫米等级大幅减小到微米乃至更短,这要求PIC的尺度和结构周期要在百纳米等级。传统的晶硅部分触摸工艺不能直接满意这种精度要求,而运用高精度微纳加工技能在制备面积和本钱方面存在缺乏。面临这一应战,科研人员奇妙地运用纳米片的尺度效应,经过PIC成长方法从惯例“层+岛”(Stranski-Krastanov)形式向“岛状”(Volmer-Weber)形式的改变,选用低温低本钱的溶液法完成了这种纳米结构的制备(图2)。
研讨在叠层器材中广泛运用的p-i-n反式结构中展开了PIC计划的验证,初次完成了空穴界面复合速度从~60cm/s下降至10cm/s(图3)以及25.5%的单结最高功率(p-i-n结构稳态认证功率纪录24.7%)(图4)。这种功能的大幅改进在多种带隙和组分的钙钛矿中均遍及存在,展示了PIC宽广的使用远景。别的,PIC结构在多种疏水性基底均完成了钙钛矿成膜掩盖率和结晶质量的进步(载流子体相寿数大幅提高),关于大面积扩大化制备颇有含义。
值得注意的是,PIC计划具有遍及性,可进一步在不同器材结构和不同界面中推行拓宽;模拟核算指出现在试验完成的PIC掩盖面积未到达其规划潜力,可进一步优化取得更大的功能提高。
研讨工作得到国家自然科学基金、科技部、合肥综合性国家科学中心动力研讨院、我国科大碳中和研讨院、上海同步辐射光源等的支撑。美国科罗拉多大学博德分校科研人员参加研讨。
图1.PIC(porous insulator contact)的规划原理和器材仿线.根据纳米片尺度效应调控岛状成长形式完成PIC结构
2024-March-16
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