近幾年，有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池被廣泛關注。該材料具有帶隙可調、吸收系數高、載流子壽命長和載流子遷移率高等優點。鈣鈦礦太陽電池被報道的最高效率已超過20%。近日，中國科學院院士、中科院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室王占國課題組，在鈣鈦礦太陽電池載流子輸運管理研究方面取得了新進展。

 

作為有源層的有機無機雜化鈣鈦礦材料對電池效率起關鍵作用，而單純依靠優化鈣鈦礦薄膜來提高電池的效率已處于瓶頸期。這需要針對光電轉換的物理過程，對電池結構進行系統設計。在此背景下，該團隊構建了典型的P–I–N結構，系統研究了鈣鈦礦太陽電池內部光生激子產生、分離，以及載流子輸運和收集的影響因素。

 

1、陰極功函數的作用機制

 

電極功函數與有源層費米能級的差值影響能帶彎曲和界面層偶極矩，這對載流子輸運有重要影響。采用典型的倒結構鈣鈦礦太陽電池，控制金屬緩沖層的功函數調整電池有源層界面處的能帶彎曲，有利于電子的輸運和收集，進而促進光生激子的產生和分離效率。該研究成果發表在Small上，研究工作得到科技部國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）的資助。

 

2、載流子的輸運管理

 

從高效分離、輸運和收集光生載流子的角度來設計高效倒結構鈣鈦礦太陽電池。采用乙酰丙酮鋯（ZrAcac）修飾Al電極，使PC61BM電子遷移率提高，同時降低缺陷態密度，表現為電池中電荷輸運電阻降低，實現陰極對電子的高效收集；采用Cu摻雜優化NiOx空穴傳輸層，Cu的存在可以提升NiOx層的空穴遷移率，同時Cu摻雜可調整NiOx的能級位置，在開路電壓損失最小的情況下，達到有利于空穴傳輸的目的；采用高電導率的FTO玻璃襯底，可避免在NiOx退火時造成陽極電導率的衰退，使電池中電荷輸運電阻進一步降低，提高電池的填充因子。電池的光電轉換效率達到20.5%。研究成果發表在Energy & Environmental Science上，研究工作得到了科技部國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）的資助。

（來源：中科院半導體研究所）