中國科學技術大學徐集賢教授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（porous insulator contact, 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。進日，該成果以“通過一種多孔絕緣接觸減少鈣鈦礦太陽電池中的非輻射復合（Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact）”為題發表在《科學》（Science）雜志上。

“鈍化-傳輸”矛盾問題在光電子器件中（例如太陽電池、發光二極管、光電探測器等）普遍存在。為了減少半導體表面的非輻射復合損失，需要覆蓋鈍化層來減少半導體表面缺陷密度。這些鈍化材料的導電率一般很低，增加其厚度會增強鈍化效果，但同時會導致電流傳輸受限。因為這個矛盾，目前這些超薄鈍化層的厚度需要極為精確的控制在幾個甚至一個納米內（nm, 十億分之一米），載流子通過遂穿效應等厚度敏感方式進行傳輸，對于低成本的大面積生產不利。

圖1.PIC（porous insulator contact）的設計原理和器件仿真
鈣鈦礦太陽電池技術近些年引起了廣泛關注，其主要器件類型包括鈣鈦礦單結、晶硅-鈣鈦礦疊層、全鈣鈦礦疊層電池等，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。因此各類鈣鈦礦器件都亟需一種新型的接觸結構，能夠在提高性能的同時大幅減少鈍化厚度的敏感性。

圖2.基于納米片尺寸效應調控島狀生長模式實現PIC結構

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（圖1）。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，但是不同的是，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。對此挑戰，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”（Stranski-Krastanov）模式向“島狀”（Volmer-Weber）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（圖2）。

圖3.PIC對于鈣鈦礦界面和體相非輻射復合的抑制

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~60cm/s下降至10cm/s(圖3)，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%）（圖4）。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。

圖4.在p-i-n反式器件中的PIC結構驗證
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。
中國科學技術大學化學與材料科學學院研究生彭偉、毛凱天和蔡逢春完成了論文的核心實驗工作；中國科學技術大學徐集賢教授為通訊作者；美國科羅拉多大學博德分校Michael McGehee教授進行了深入合作。該工作得到國家自然科學基金委、國家科技部、合肥綜合性國家科學中心能源研究院、中國科學技術大學碳中和研究院的基金支持。徐集賢教授感謝上海同步輻射光源和騰訊基金會科學探索獎的支持。

來源：中國科大
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3126

審核編輯 ：李倩