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關于富溴籽晶誘導法助力提升高效鈣鈦礦太陽能電池長期穩(wěn)定性的研究

有機無機雜化鈣鈦礦以其光吸收系數(shù)高、載流子擴散距離長、制備方法簡單、帶隙連續(xù)可調等特性，被廣泛認為是發(fā)展下一代光伏器件的理想材料。自2009年以來，僅僅歷經(jīng)10年的發(fā)展時間，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉化效率已經(jīng)達到25.2%，發(fā)展速度為各類太陽能電池之最。但是，由于鈣鈦礦太陽能電池當前面臨的熱穩(wěn)定性、長時間工作穩(wěn)定性等問題，嚴重阻礙了其商業(yè)化應用發(fā)展。針對此問題，北京大學物理學院趙清教授課題組利用材料工程方法，設計提出了富溴鈣鈦礦籽晶誘導生長兩步法，實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜中溴離子的高效摻雜，有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的長時間工作穩(wěn)定性。通過在碘化鉛薄膜中引入微米級富溴鈣鈦礦籽晶，一方面提供后續(xù)鈣鈦礦生長所需的成核位點、誘導薄膜生長、提高薄膜生長質量，另一方面為鈣鈦礦生長提供充足的溴元素，解決兩步法中溴離子難以有效摻雜的問題。通過改變鈣鈦礦籽晶的添加量，可以實現(xiàn)對鈣鈦礦成核、晶粒大小、缺陷態(tài)密度等的精確調控，實現(xiàn)對最終鈣鈦礦成分與帶隙的精準控制。測試表明，利用富溴鈣鈦礦籽晶誘導生長兩步旋涂法制備得到的鈣鈦礦太陽能電池器件，其能量轉化效率可以達到21.5%；更為重要的是，其長時間工作穩(wěn)定性得到了顯著提高，在AM1.5G太陽光下持續(xù)工作500小時后，仍然能保持超過80%的初始效率。這一成果遠遠超過傳統(tǒng)兩步法僅有的數(shù)小時穩(wěn)定性。該研究表明，溴元素對鈣鈦礦材料長時間工作穩(wěn)定性具有至關重要的作用，同時，提供了一條簡單、高效、穩(wěn)定的基于鈣鈦礦兩步法的溴摻雜方法。此研究將為鈣鈦礦領域內鹵素離子的均勻高效摻入、器件長時間工作穩(wěn)定性的提高等問題提供了新的思路。相關研究結果發(fā)表于Advanced Energy Materials 9, 1902239 (2019),并被選為當期封底圖片。北京大學博士生李琪為該研究論文的第一作者，趙清教授為通訊作者。以上研究得到了國家自然科學基金委、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、北京大學納光電子前沿科學中心、量子物質科學協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。

北京大學 2021-04-11

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