物理所鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池研究獲進展

　　鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池以其結構簡單、制備成本低廉等優點吸引了眾多科研工作者的關注。其光電轉化效率在近5年內從3.8%迅速提高到15%以上，高于非晶硅太陽電池效率，被Science評選為2013年十大科學突破之一。隨著電池工藝的進一步發展和成熟，電池效率有望突破20%，有廣泛的應用前景。但目前該類高效率的電池均采用較為昂貴的有機分子(比如Spiro-OMeTAD)作為空穴傳輸材料，這在很大程度上提高了電池成本，且有機材料的長期穩定性也值得進一步檢驗。因此，發展高效率的無空穴傳輸材料的鈣鈦礦型薄膜太陽能電池成為這類新型太陽能電池的重要研究方向之一。目前，報道的無空穴傳輸材料的鈣鈦礦薄膜太陽能電池的最高效率達到了8%，還遠低于基于空穴材料的鈣鈦礦型電池。同時，對該類太陽能電池工作機理的認識上還存在敏化機制和異質結機制的爭論。

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)清潔能源重點實驗室研究員孟慶波研究組在改進薄膜沉積工藝的基礎上，通過界面調控和薄膜沉積優化，在無空穴傳輸材料的鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池方面研究取得了重要進展，電池效率率先突破10%，電池開路電壓超過900 mV (圖1)。首次采用單異質結理想二極管模型對電池的電流-電壓特性進行了系統分析(圖2)，結果表明：該類電池的電流-電壓特性與理想模型符合得非常好，是一種典型的異質結電池。電池理想因子A在1.85~1.93之間，表明該電池的二極管正向飽和電流主要由半導體耗盡區的載流子復合決定，首次證實了異質結空間電荷區的存在。同時計算得到了該電池的串聯電阻和二極管正向飽和電流值，結果表明，該電池的串聯電阻和二極管正向飽和電流均很小，可與目前廣泛研究的高效率薄膜太陽能電池(如Cu(In、Ga)Se2, CdTe)比擬。阻抗譜研究進一步證實理想模型分析的準確性，并得到了自洽的計算結果，直接證明了該類電池是異質結薄膜太陽能電池。這一結論對該類太陽能電池器件設計和性能提升具有重要的指導意義。

　　上述研究結果發表在最新一期《應用物理快報》上(Appl. Phys. Lett. 104, 063901 (2014))。該工作得到了北京市科委、科技部、國家自然科學基金委和中科院等項目的支持。

圖1 電池性能統計(a)和最優性能電池的電流-電壓曲線(b)

圖2 用于模型分析的電流-電壓曲線(a)及模型分析計算結果(b、c、d)