半導(dǎo)體所研制出光電轉(zhuǎn)換效率超過27%的鈣鈦礦太陽能電池
鈣鈦礦太陽能電池因其易于低成本印刷制備且具有高光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢，被視為新一代太陽能電池的典型代表，發(fā)展前景廣闊。經(jīng)過十六年的快速發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的3.8%提升至超過26%，逼近單晶硅太陽能電池水平，但與理論極限效率仍存在一定差距。實(shí)現(xiàn)高效率鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵要素之一是制備高質(zhì)量鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜。甲基氯化銨（MACl）因能同時(shí)降低鈣鈦礦成核勢壘并促進(jìn)晶體高質(zhì)量生長，被廣泛作為鈣鈦礦薄膜生長的輔助材料。
近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基于MACl制備的鈣鈦礦薄膜存在垂直方向上氯分布的不均勻的問題，主要原因是MACl中的氯離子在鈣鈦礦結(jié)晶過程中迅速遷移至上表面引起富集。這種不均勻的氯分布會(huì)誘發(fā)鈣鈦礦上表面產(chǎn)生缺陷和界面電子勢壘，引起載流子復(fù)合損失，阻礙載流子輸運(yùn)，制約了器件光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升，同時(shí)影響其長期運(yùn)行穩(wěn)定性。
針對傳統(tǒng)生長方法導(dǎo)致鈣鈦礦中氯元素分布不均的問題，團(tuán)隊(duì)提出了垂直方向均勻化氯元素分布的策略（HVCD）：通過在鈣鈦礦薄膜生長中引入堿金屬草酸鹽，利用解離出的鉀離子與氯離子之間的強(qiáng)結(jié)合作用，有效束縛氯元素的垂直無序遷移，使其在鈣鈦礦材料中均勻分布?；谶@一方法，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出載流子壽命高達(dá)20微秒，界面缺陷態(tài)密度低至1013每立方厘米的鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜，顯著抑制了由鹵素Cl元素上表面富集引起的載流子復(fù)合（圖1），并消除了界面電子勢壘。
基于所開發(fā)的氯元素均勻分布的鈣鈦礦薄膜，團(tuán)隊(duì)研制出經(jīng)多家權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證、光電轉(zhuǎn)換效率為27.2%的鈣鈦礦太陽能電池原型器件。器件在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽光和最大功率輸出點(diǎn)條件下持續(xù)運(yùn)行1529小時(shí)后，仍保持初始效率的86.3%。此外，器件在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽光與85℃光熱耦合加速老化條件下，持續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)后仍能維持初始效率的82.8%（圖2）。該研究實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池效率與穩(wěn)定性方面的協(xié)同提升，將為其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供重要支撐。
該研究成果以“Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells”為題，發(fā)表于《科學(xué)》（Science）期刊（Science, 2025,?390，638-642）。半導(dǎo)體所博士后熊壯為論文第一作者，博士生張謙為共同第一作者，游經(jīng)碧研究員為通訊作者，半導(dǎo)體所張興旺研究員、蔣琦研究員以及蘇州大學(xué)李耀文教授等為論文共同作者。該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合基金集成項(xiàng)目以及廈門豐熤光電科技有限公司等的資助。
圖1? (A-B)?氯離子均勻化前后鈣鈦礦上下表面的光致發(fā)光光譜，(C)?氯離子均勻化前后鈣鈦礦的載流子壽命，(D-E)?均勻化調(diào)控前后各離子在垂直方向上的分布情況，(F)?均勻化調(diào)控前后鈣鈦礦薄膜垂直方向上缺陷態(tài)密度分布情況，(G)?堿金屬草酸鹽實(shí)現(xiàn)氯離子均勻化分布調(diào)控的機(jī)理示意圖。
圖2? (A) 參考器件和氯均勻化器件在標(biāo)準(zhǔn)太陽光條件下的電流-電壓曲線（正反向測量），（B）參考器件和氯均勻化器件穩(wěn)態(tài)輸出效率曲線，（C）參考器件和氯均勻化器件1529小時(shí)穩(wěn)態(tài)輸出效率曲線（40-50oC，1個(gè)太陽光），（D）參考器件和氯均勻化器件在85oC條件下老化的歸一化效率變化情況，(E) 參考器件和氯均勻化器件在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽光和85oC耦合條件穩(wěn)態(tài)輸出歸一化效率變化情況（用于熱穩(wěn)定性和加速老化測試的器件為非標(biāo)準(zhǔn)工藝制備）。
文章鏈接：?https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw8780
Homogenized chlorine distribution for 27% power conversion efficiency in perovskite solar cells.pdf
