中國科大提出鈣鈦礦太陽電池新結構方案

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中國科學技術大學教授徐集賢團隊與合作者針對鈣鈦礦太陽電池中長期普遍存在的“鈍化-傳輸”矛盾問題，提出了一種命名為PIC（多孔絕緣接觸）的新型結構和突破方案，基于嚴格的模型仿真和實驗給出了PIC方案的設計原理和概念驗證，實現了p-i-n反式結構器件穩態認證效率的世界紀錄，并在多種基底和鈣鈦礦組分中展現了普遍的適用性。2月17日，相關研究成果發表在《科學》雜志上。

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PIC（porous insulator contact）的設計原理和器件仿真 中國科大供圖

鈣鈦礦太陽電池技術近些年引起了廣泛關注，有望在傳統晶硅太陽電池之外提供新的低成本高效率光伏方案。鈣鈦礦電池中，異質結接觸問題帶來的非輻射復合損失已經被普遍證明是主要的性能限制因素。由于“鈍化-傳輸”矛盾問題（通過增加厚度改善鈍化效果同時會導致電流傳輸大幅減小）的存在，超薄鈍化層納米級別的厚度變化都會引起填充因子和電流密度的降低。

研究團隊經過長期思考和大量實驗探索，提煉出這種PIC接觸結構方案。其主要思想是不依賴傳統納米級鈍化層和遂穿傳輸，而直接使用百納米級厚度的多孔絕緣層，迫使載流子通過局部開孔區域進行傳輸，同時降低接觸面積。

研究團隊的半導體器件建模計算揭示了這種PIC結構周期應該與鈣鈦礦載流子傳輸長度匹配的關鍵設計原理。PIC方案與晶硅太陽能電池領域的局部接觸技術有異曲同工之妙，但不同的是，鈣鈦礦中的載流子擴散長度較單晶硅要短很多，從毫米級別大幅減小到微米甚至更短，這就要求PIC的尺寸和結構周期要在百納米級別。傳統的晶硅局部接觸工藝不能夠直接滿足這種精度要求，而使用高精度微納加工技術在制備面積和成本方面存在不足。

為解決該挑戰，團隊巧妙利用了納米片的尺寸效應，通過PIC生長方式從常規“層+島”模式向“島狀”模式的轉變，成功由低溫低成本的溶液法實現了這種納米結構的制備。

此外，研究團隊在疊層器件中廣泛使用的p-i-n反式結構中開展了PIC方案的驗證，首次實現了空穴界面復合速度從60厘米每秒下降至10厘米每秒，以及25.5%的單結最高效率（p-i-n結構穩態認證效率紀錄24.7%）。這種性能的大幅改善在多種帶隙和組分的鈣鈦礦中都普遍存在，展現了PIC廣泛的應用前景。另外，PIC結構在多種疏水性基底都實現了鈣鈦礦成膜覆蓋率和結晶質量的提高（載流子體相壽命大幅提升），對于大面積擴大化制備也很有意義。

值得注意的是，PIC方案具有普遍性，可進一步在不同器件結構和不同界面中推廣拓展；同時模擬計算指出目前實驗實現的PIC覆蓋面積還遠未達到其設計潛力，可進一步優化獲得更大的性能提升。

《科學》雜志審稿人評價：“PIC結構得到了很好的展示，并首次在空穴傳輸界面實現……這種方法將會對未來的局部鈍化技術研究產生很強的影響。”