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鈣鈦礦太陽能電池中非輻射復合能量損失的研究

鈣鈦礦太陽能電池制備工藝簡單，成本低廉。近年來，該類太陽能電池因其快速增長的光電轉(zhuǎn)換效率和逐步提升的器件穩(wěn)定性，吸引了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，為光伏領(lǐng)域帶來了新的機遇。然而，由于鈣鈦礦太陽能電池中存在非輻射復合損失，所以目前的光電轉(zhuǎn)換效率依然低于肖克利-奎塞爾（Shockley-Queisser）理論所定義的極限效率。因此，最大化降低鈣鈦礦太陽能電池的非輻射復合損失是進一步提升電池器件效率的未來研究重點。鑒于此，研究團隊基于已有的研究基礎(chǔ)，對“最大化降低鈣鈦礦太陽能電池的非輻射復合損失”這一論題進行深入探討和系統(tǒng)總結(jié)。該綜述文章主要包括以下幾個方面：首先，介紹了鈣鈦礦太陽能電池中非輻射復合的起源，并詳細討論了非輻射復合損失的定量化測試方法；其次，系統(tǒng)總結(jié)了在降低非輻射復合損失方面的最近研究進展；再次，依據(jù)肖克利-奎塞爾理論，對鈣鈦礦太陽能電池所能夠獲得的最高光電轉(zhuǎn)換效率進行了科學預測；最后，在展望部分，前瞻性地指出了最大化降低非輻射復合損失的未來努力方向。圖1. 金屬鹵化物鈣鈦礦活性層內(nèi)的電荷載流子產(chǎn)生與復合動力學機制在理想的金屬鹵化物鈣鈦礦半導體材料中，所有的光生電子和空穴最終將通過發(fā)射光子的方式進行復合（即：輻射復合）。然而，在實際的鈣鈦礦太陽能電池中存在大量的非輻射復合通道（如圖1所示），絕大部分光生載流子將優(yōu)先通過其他非輻射途徑進行復合（例如，缺陷輔助復合，俄歇復合，界面誘導復合，電聲耦合，帶尾態(tài)復合等）。這些非輻射復合損失過程極大降低了電池在穩(wěn)態(tài)下的光生載流子濃度，從而減小了金屬鹵化物鈣鈦礦層中準費米能級劈裂的能級差，最終造成鈣鈦礦太陽能電池較大的電壓損失。因此，最大化降低或抑制這些非輻射復合通道是提升器件開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。針對各種非輻射復合通道，該綜述首先介紹了目前量化分析非輻射復合損失的常規(guī)測試技術(shù)以及測試要點，如圖2所示。圖2. 量化鈣鈦礦薄膜和完整器件中非輻射復合損失的表征技術(shù) 隨后，結(jié)合當前研究現(xiàn)狀，進一步梳理了近年來在降低非輻射復合損失方面取得的一系列重要進展。值得一提的是，該研究團隊去年在《Science》雜志上報道的基于溶液二次生長方法構(gòu)建漸變結(jié)的策略（如圖3所示），在降低反式鈣鈦礦太陽能電池的非輻射復合損失方面效果顯著（Science 360, 1442-1446）。此后，一系列研究報道顯示，相似的策略在正式常規(guī)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池和全無機鈣鈦礦太陽能電池中也可以獲得正向的實驗結(jié)果。由此說明，在金屬鹵化物鈣鈦礦半導體材料中構(gòu)建有效的漸變結(jié)對后續(xù)降低非輻射復合損失具有非常重要的借鑒價值。圖3. 漸變結(jié)鈣鈦礦太陽能電池器件結(jié)構(gòu)和漸變結(jié)的時間分辨光譜此外，該綜述還以當前最高效率的砷化鎵太陽能電池為參照，先假定鈣鈦礦太陽能電池的非輻射復合損失與砷化鎵太陽能電池的情形一致，再依據(jù)肖克利-奎塞爾理論，對鈣鈦礦太陽能電池所能夠獲得的性能參數(shù)進行科學預測，進而給出電池器件所能達到的最高光電轉(zhuǎn)換效率，如圖4所示。圖4. 當鈣鈦礦太陽能電池的非輻射復合損失與當前最高效率砷化鎵太陽能電池的情況相同時，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池可實現(xiàn)的最優(yōu)器件性能參數(shù) 最后，該綜述也指出，目前提升器件性能的兩條主要途徑是最優(yōu)化光子俘獲和最大化降低非輻射復合損失。如果能將二者進行有效整合，探索更可靠的協(xié)同優(yōu)化策略，這可能會是將器件光電轉(zhuǎn)換效率提升至接近理論極限的可行方案。為此，綜述也對一些未來的努力方向進行了展望。總的來說，該綜述為最大程度地降低鈣鈦礦太陽能電池的非輻射復合損失提供了理論總結(jié)，也為開展實驗工作提供了參考借鑒，對進一步提升電池效率，推動該類電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有重要意義。

北京大學 2021-04-11

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