鈣鈦礦太陽能電池作為一種新興清潔能源，為光伏行業高質量發展注入了新動能。近日，北京大學聯合國內外多個研究組，提出高密勒指數晶面相干生長提升鈣鈦礦太陽能電池性能的新策略。相關研究成果發表于《自然》。
“這項研究將為鈣鈦礦太陽能電池性能優化提供新的增長點，也是鈣鈦礦光電領域基礎研究的守正創新。”中國科學院院士、北京大學校長龔旗煌對《中國科學報》說。光電轉換效率是衡量太陽能電池將光能轉換為電能的效率指標。鈣鈦礦太陽能電池主要通過兩種途徑提升光電轉換效率：一是提高光吸收材料對入射光子能量的俘獲率，即增大對太陽光能的有效吸收；二是減弱光生載流子的非輻射復合，即減少產生的電能在電池內部的損耗。10多年來，鈣鈦礦太陽能電池領域的大量研究工作主要聚焦于減少電能在電池內部的損耗，即通過降低鈣鈦礦吸光層以及電池各功能層界面處的缺陷，減少光生載流子在電池內部的非輻射復合能量損失。這種“降缺陷、提效率”的方式取得了不錯的效果，相關認知也越發完善。北京大學團隊長期開展鈣鈦礦太陽能電池缺陷調控和性能提升的研究。近年來，該團隊對鈣鈦礦太陽能電池中鈣鈦礦層的上界面、埋底界面及電極緩沖層界面等展開深入研究，有針對性地提出了一些缺陷調控和性能提升策略，并于2023年將鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率提升至25%以上。“要進一步提升光電轉換效率，還需要在現有基礎上繼續提高光吸收材料對入射光子能量的俘獲率。”北京大學教授朱瑞對《中國科學報》說。通常來講，增加鈣鈦礦吸光層厚度可以增強對入射光的吸收，從而提高入射光子的俘獲能力，獲得更多光學增益，最終提升光電轉換效率。然而，吸光層薄膜增厚往往伴隨著缺陷的增加，導致薄膜中非輻射復合變得更加嚴重，從而降低電池光電轉換效率，抵消入射光吸收增強帶來的光學增益。因此，朱瑞表示，目前亟須開發新的工藝攻克這一難題。面對挑戰，北京大學與國內外多個研究組展開聯合攻關。他們最先遇到的難點就是電池性能季節性波動問題，即高性能電池通常存在明顯的季節依賴性。“這是困擾我們十幾年的問題。”朱瑞對《中國科學報》說，“起初，大家發現濕度波動影響電池功能層制備，于是將全部制程轉移到濕度可控的惰性氣氛中，但電池性能季節依賴性依然存在。”“除濕度外，隨季節更替出現明顯變化的另一個因素是溫度。”北京航空航天大學教授羅德映建議從溫度入手解決性能波動問題。于是，聯合團隊通過精準控制鈣鈦礦薄膜涂布階段的環境溫度，優化鈣鈦礦薄膜的成核和晶粒生長過程，顯著改善了電池性能的季節依賴性，使得一年四季制備的電池都有一致的光電轉換性能。在尋找其中機理的過程中，聯合團隊發現，鈣鈦礦薄膜的高密勒指數晶面對環境溫度存在依賴關系。密勒指數是材料晶體學中的一個概念，用于描述晶面方向的符號系統，通過3個整數表示晶面與晶軸的相對關系。高密勒指數是指數值較大的晶面，（100）、（110）、（111）通常被認為是低密勒指數晶面，其他晶面則為高密勒指數晶面。聯合團隊發現，當鈣鈦礦薄膜涂布階段的環境溫度處于特定條件時，鈣鈦礦薄膜中高密勒指數（211）晶面的占比會增加。經驗證，（211）晶面具有“自鈍化”及形成“相干晶界”的特性，這使得薄膜內部及表面缺陷濃度大幅度降低。“當發現（211）晶面具有如此特殊的性質后，整個團隊都很激動。于是，我們借助這些特性改善晶體內部和表面缺陷，并進一步在鈣鈦礦微米級厚膜中進行驗證，實現了‘光子利用與電學損失’的協同優化。”羅德映說。聯合團隊充分利用上述發現，研制出高質量微米級鈣鈦礦厚膜，在提高俘獲入射光子能力的同時，顯著減少了電能在電池內部的損耗，成功將光電轉換效率提高至26.1%，并提升了電池在光、熱等外界條件下的工作穩定性。“該研究展示了一種能夠制備厚度較大但仍保持高質量的鈣鈦礦薄膜的方法，不僅顯著提升了太陽能電池性能，還深化了我們對這種‘迷人材料’的工作機制的認識，并為如何優化其性能提供了新思路。”英國劍橋大學教授Samuel D. Stranks表示。“基礎研究對關鍵核心技術具有先導、引領作用，加強基礎研究是突破關鍵核心技術的‘先手棋’。”龔旗煌認為，從高密勒指數晶面角度切入開展鈣鈦礦材料性能研究，是鈣鈦礦光電領域的基礎探索，對相關技術發展有重要指導意義。鈣鈦礦材料中其他高密勒指數晶面也同樣值得深入挖掘。“早在上世紀的半導體材料晶體學研究中，高密勒指數晶面就已經引起業內關注，比如硅、砷化鎵等晶面。”羅德映說，“高密勒指數晶面相較于常見的低密勒指數晶面具有更復雜的原子排列，可能導致獨特的表面重構和特有的電子狀態。”北京大學博士研究生黎順德補充說：“半導體材料中有些高密勒指數晶面幾乎不存在任何空位和缺陷。與硅、砷化鎵等材料相比，鈣鈦礦材料的元素組成和晶體結構更為復雜多樣，其高密勒指數晶面可能會呈現更加‘繽紛多彩’的特性，值得深入挖掘。”“這項工作僅是鈣鈦礦材料中高密勒指數晶面研究的開端。我們相信，對鈣鈦礦材料中其他高密勒指數晶面的研究可以挖掘出更多新方法、新思路，幫助加深對鈣鈦礦材料中‘高密勒指數晶面家族’的理解。”朱瑞表示。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08159-5
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2024-10-25
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