近日，中科院大連化物所金盛燁研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦太陽能電池中鈣鈦礦-電極界面的載流子提取效率的微觀非均勻分布是限制電池效率的關(guān)鍵因素之一，這為提高鈣鈦礦太陽能電池效率提供了新思路。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。

鈣鈦礦太陽能電池是以具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)-金屬鹵化物等作為核心光吸收、光電轉(zhuǎn)換、光生載流子輸運(yùn)材料的太陽能電池。該電池不僅具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，而且其核心光電轉(zhuǎn)換材料具有廉價(jià)、容易制備的特點(diǎn)，這為其大規(guī)模、低成本制造提供了可能。

近年來，金屬有機(jī)鈣鈦礦材料在構(gòu)建高效、廉價(jià)太陽能電池和其他光電器件等方面展現(xiàn)出極大的應(yīng)用價(jià)值，成為國際上重要的研究熱點(diǎn)材料。此類材料在各種器件中的優(yōu)越表現(xiàn)得益于其獨(dú)特的光物理性質(zhì)，如高載流子壽命、高電荷遷移率和長(zhǎng)遷移距離。

到目前為止，基于此類材料的太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到了22.1%，但和理論值相比還有很大的提升空間。在常用的液相和汽相沉積法制備的鈣鈦礦薄膜中，膜表面微觀形貌如晶塊尺寸、晶塊形狀和晶塊邊界等有很大差異，這阻礙了對(duì)材料關(guān)鍵性質(zhì)的進(jìn)一步改善。

先前的研究普遍認(rèn)為，鈣鈦礦膜表面微觀形貌的非均一性對(duì)薄膜光電性質(zhì)有很大的負(fù)面影響，然而其影響機(jī)制并不清楚。因此，探究鈣鈦礦薄膜微觀形貌的非均勻性對(duì)載流子壽命、遷移率以及電池性能的影響，可以進(jìn)一步提高太陽能電池效率。

近期，金盛燁團(tuán)隊(duì)利用自主搭建的時(shí)間分辨熒光掃描成像系統(tǒng)，在亞微米空間尺度上成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)微觀區(qū)域載流子壽命，晶粒內(nèi)部和晶粒之間的載流子擴(kuò)散系數(shù)，晶粒內(nèi)載流子遷移距離和載流子提取效率的直接成像測(cè)量。發(fā)現(xiàn)在高質(zhì)量的鈣鈦礦CH3NH3PbI3(Cl)多晶薄膜中，晶粒內(nèi)部載流子擴(kuò)散速率很快，與大塊鈣鈦礦單晶材料相近。同時(shí)載流子壽命較長(zhǎng)，并且在不同大小和形狀的晶粒之間的分布是非常均一的。然而，當(dāng)鈣鈦礦薄膜表面負(fù)載電子和空穴傳輸層的時(shí)候，由于在鈣鈦礦和電子（空穴）受體界面存在的缺陷，不同晶粒表面的載流子提取效率存在很大的差異，這很可能是限制太陽能電池效率進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素，因此改善鈣鈦礦薄膜中晶粒和電子（空穴）受體界面接觸的均勻性是提高太陽能電池效率的重要方向。此項(xiàng)研究結(jié)果為進(jìn)一步提高鈣鈦礦太陽能電池效率提供了新思路。