北京大學(xué)物理學(xué)院“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”的朱瑞研究員、龔旗煌院士與合作者展開研究，首次采用“胍鹽輔助二次生長(zhǎng)”技術(shù)調(diào)控鈣鈦礦半導(dǎo)體特性，在提升反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池性能方面取得了突破性成果，創(chuàng)下了該類太陽能電池器件效率的最高記錄。相關(guān)研究于2018年6月29日在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上發(fā)表(Enhancedphotovoltageforinvertedplanarheterojunctionperovskitesolarcells，Science,Vol.360,Issue6396,pp.1442-1446,DOI:10.1126/science.aap9282)。

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，由工業(yè)生產(chǎn)所導(dǎo)致的能源和環(huán)境問題日益凸顯，化石燃料(石油、煤炭、天然氣等)的有限儲(chǔ)量及其燃燒帶來的全球變暖等問題促使人們不斷地尋找和開發(fā)綠色可再生的新型能源。太陽能具有清潔、無污染、分布廣泛且能量充分的優(yōu)勢(shì)，是有希望獲得大規(guī)模應(yīng)用的新型能源之一。太陽能電池利用光生伏特效應(yīng)將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，受到來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究，也得到了各國(guó)政府的大力支持。

近年來，鈣鈦礦太陽能電池以其制備簡(jiǎn)單、成本低和效率高的優(yōu)勢(shì)迅速崛起成為新型光伏技術(shù)領(lǐng)域的新寵，其光電轉(zhuǎn)換效率在短短八年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了跳躍式增長(zhǎng)，目前報(bào)道的最高效率已達(dá)到商業(yè)化單晶硅太陽能電池的效率水平，表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。

鈣鈦礦太陽能電池分為正式(n-i-p)和反式(p-i-n)兩種器件結(jié)構(gòu)。相比于正式器件，反式結(jié)構(gòu)器件因制備工藝更加簡(jiǎn)單、可低溫成膜、無明顯回滯效應(yīng)、適合與傳統(tǒng)太陽能電池(硅基電池、銅銦鎵硒等)結(jié)合制備疊層器件等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注。但是，反式結(jié)構(gòu)器件也存在一些顯著不足，例如，開路電壓與理論值差距較大、光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)偏低，這主要是由于器件中存在大量的缺陷所導(dǎo)致。這些缺陷主要存在于鈣鈦礦活性層中、鈣鈦礦活性層與電荷收集層界面處，造成了光生載流子的非輻射復(fù)合，進(jìn)而致使能量損失嚴(yán)重，最終限制了開路電壓的提升和光電轉(zhuǎn)換效率的改善，制約了該類結(jié)構(gòu)器件的發(fā)展。

針對(duì)反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率上存在的瓶頸，朱瑞研究員、龔旗煌院士與合作者展開研究，首次提出了“胍鹽輔助輔助二次生長(zhǎng)”方法，開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜半導(dǎo)體特性的調(diào)控，顯著降低了器件中非輻射復(fù)合的能量損失，在提升器件開路電壓方面取得了突破，首次在反式結(jié)構(gòu)器件中獲得了超過1.21V的高開路電壓(材料帶隙寬度~1.6eV)。同時(shí)，在不損失光電流和填充因子等性能參數(shù)的情況下，顯著提高了反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率——實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)到21.51%。經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院認(rèn)證，器件的光電轉(zhuǎn)換效率也高達(dá)20.90%，這是目前反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池器件效率的最高記錄。該結(jié)果為提升反式鈣鈦礦太陽能電池器件效率、推進(jìn)該類新型光伏器件的應(yīng)用化發(fā)展提供了新思路。這種制備技術(shù)也有望進(jìn)一步拓展到鈣鈦礦疊層太陽能電池以及鈣鈦礦發(fā)光器件中，具有潛在的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。

圖1.左：反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池。右：電池器件在正向電壓(2V)下的發(fā)光照片(表明電池器件具有較低的非輻射復(fù)合能量損失)。

研究論文的共同第一作者是朱瑞研究員課題組的博士研究生羅德映和楊文強(qiáng)，以及牛津大學(xué)的王植平博士。合作者還包括英國(guó)牛津大學(xué)的HenryJ.Snaith教授課題組、薩里大學(xué)的張偉博士課題組和劍橋大學(xué)的RichardH.Friend教授課題組等。該工作得到國(guó)家科技部、自然科學(xué)基金委、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心”“2011計(jì)劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、“青年”、英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)以及皇家學(xué)會(huì)等單位的支持。