鈣鈦礦太陽能電池經過十余年的快速發展，其光電轉換效率已從最初的3.8%提升至超過26%，但與理論極限效率仍存在一定差距。制備高質量鈣鈦礦半導體薄膜是實現高效率鈣鈦礦太陽能電池的關鍵要素。甲基氯化銨（MACl）因能同時降低鈣鈦礦成核勢壘并促進晶體高質量生長，被廣泛作為鈣鈦礦薄膜生長的輔助材料。
近期，中國科學院半導體研究所研究員游經碧團隊發現，基于MACl制備的鈣鈦礦薄膜，存在垂直方向上氯分布不均勻的問題，主要原因是MACl中的氯離子在鈣鈦礦結晶過程中迅速遷移至上表面引起富集。這種不均勻的氯分布會誘發鈣鈦礦上表面產生缺陷和界面電子勢壘，引起載流子復合損失，阻礙載流子輸運，制約了器件光電轉換效率的進一步提升，同時影響其長期運行穩定性。
針對傳統生長方法導致鈣鈦礦中氯元素分布不均的問題，團隊提出了垂直方向均勻化氯元素分布的策略（HVCD）：通過在鈣鈦礦薄膜生長中引入堿金屬草酸鹽，利用解離出的鉀離子與氯離子之間的強結合作用，有效束縛氯元素的垂直無序遷移，使其在鈣鈦礦材料中均勻分布。基于這一方法，研究團隊成功制備出載流子壽命高達20微秒，界面缺陷態密度低至1013每立方厘米的鈣鈦礦半導體薄膜，顯著抑制了由鹵素氯元素上表面富集引起的載流子復合，并消除了界面電子勢壘。
基于所開發的氯元素均勻分布的鈣鈦礦薄膜，團隊研制出經多家權威機構認證、光電轉換效率為27.2%的鈣鈦礦太陽能電池原型器件。器件在1個標準太陽光和最大功率輸出點條件下持續運行1529小時后，仍保持初始效率的86.3%。此外，器件在1個標準太陽光與85℃光熱耦合加速老化條件下，持續運行1000小時后仍能維持初始效率的82.8%。該研究實現了鈣鈦礦太陽能電池效率與穩定性方面的協同提升，將為其產業化發展提供重要支撐。
相關研究成果以Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells為題，發表在《科學》（Science）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等的支持。
論文鏈接
科學家研制出光電轉換效率超27%的鈣鈦礦太陽能電池
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