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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐集賢教授團(tuán)隊(duì)與合作者針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池中長(zhǎng)期普遍存在的“鈍化-傳輸”矛盾問題，提出了一種命名為PIC（porous insulator contact, 多孔絕緣接觸）的新型結(jié)構(gòu)和突破方案，基于嚴(yán)格的模型仿真和實(shí)驗(yàn)給出了PIC方案的設(shè)計(jì)原理和概念驗(yàn)證，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。2023年2月17日，該成果以“通過一種多孔絕緣接觸減少鈣鈦礦太陽(yáng)電池中的非輻射復(fù)合（Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact）”為題發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

“鈍化-傳輸”矛盾問題在光電子器件中（例如太陽(yáng)電池、發(fā)光二極管、光電探測(cè)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(lái)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(duì)于低成本的大面積生產(chǎn)不利。

鈣鈦礦太陽(yáng)電池技術(shù)作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(yáng)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(lái)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。

圖1.PIC（porous insulator contact）的設(shè)計(jì)原理和器件仿真

團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長(zhǎng)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(zhǎng)度匹配的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原理。PIC方案與晶硅太陽(yáng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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）。

圖2.基于納米片尺寸效應(yīng)調(diào)控島狀生長(zhǎng)模式實(shí)現(xiàn)PIC結(jié)構(gòu)

圖3.PIC對(duì)于鈣鈦礦界面和體相非輻射復(fù)合的抑制

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(duì)于大面積擴(kuò)大化制備也很有意義。

圖4.在p-i-n反式器件中的PIC結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

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。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院研究生彭偉、毛凱天和蔡逢春完成了論文的核心實(shí)驗(yàn)工作；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐集賢教授為通訊作者；美國(guó)科羅拉多大學(xué)博德分校Michael McGehee教授進(jìn)行了深入合作。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部、合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碳中和研究院的基金支持。徐集賢教授感謝上海同步輻射光源和騰訊基金會(huì)科學(xué)探索獎(jiǎng)的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.ade3126