中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近期，上�？萍即髮W(xué)寧志軍課題組在Nature Communications上發(fā)表題為“Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design”的研究論文，在錫基鈣鈦礦太陽能電池開路電壓方面取得了突破。該工作是寧志軍課題組在前期引入低維錫基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和納米梯度結(jié)構(gòu)制備高效器件的基礎(chǔ)上，在錫基鈣鈦礦太陽能電池方面的又一個(gè)重要進(jìn)展（圖1）。

圖1. 錫基錫基鈣鈦礦太陽能電池效率發(fā)展圖

鉛鈣鈦礦太陽能電池目前已經(jīng)取得了25.2%的認(rèn)證效率，但是可溶性的重金屬鉛可能造成的管制問題和環(huán)境問題，將會(huì)對(duì)鉛鈣鈦礦的商業(yè)化應(yīng)用帶來了一些不確定的因素，尤其是在可穿戴器件以及室內(nèi)和建筑物等人口密集的場(chǎng)所中的應(yīng)用，因此非鉛鈣鈦礦太陽能電池的開發(fā)對(duì)鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)用具有重要意義。錫基鈣鈦礦具有和鉛基鈣鈦礦相媲美的光電特性，比如高吸光系數(shù)、高載流子遷移率、合適的光學(xué)帶隙等，是理想的環(huán)境友好型光伏材料。

近年來，錫基鈣鈦礦太陽能電池的性能取得了快速的發(fā)展，但是它們較小的開路電壓限制了器件的效率。目前文獻(xiàn)報(bào)道的開路電壓一般在0.6 V以下，相比于錫基鈣鈦礦1.35 eV左右的帶隙，器件的開路電壓損失在0.7 V以上。因此，雖然錫基鈣鈦礦太陽能電池的短路電流和鉛基鈣鈦礦接近，目前錫基鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)化效率停留在10%左右。

目前業(yè)內(nèi)認(rèn)為鈣鈦礦氧化和空位缺陷是錫基鈣鈦礦器件較低的開路電壓的主要原因。在這項(xiàng)研究中，作者提出了全新的研究思路，從器件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，在低維錫基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和反式太陽能電池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)利用較淺LUMO軌道能級(jí)的富勒烯衍生物ICBA作為電子傳輸層材料，取代常用的富勒烯衍射物PCBM，實(shí)現(xiàn)了錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的能級(jí)匹配。同時(shí)ICBA抑制了碘離子長(zhǎng)程摻雜帶來的電子傳輸層載流子濃度提高，降低了界面的載流子復(fù)合。這兩個(gè)因素一起，實(shí)現(xiàn)了0.94 V的開路電壓（圖2），并取得了第三方實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的12.4%能量轉(zhuǎn)換效率，這是目前認(rèn)證效率最高的錫基鈣鈦礦太陽能電池。

圖2：（a）錫基鈣鈦礦電池的能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖，（b）AM1.5G光照下基于不同電子傳輸層的器件J-V曲線圖。

圖3：（a）錫鈣鈦礦與電子傳輸層之間的界面電勢(shì)SKPM掃描圖；（b）錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的界面非輻射復(fù)合示意圖。

該工作說明除錫鈣鈦礦活性層的缺陷之外，錫鈣鈦礦的P型摻雜特點(diǎn)所帶來的界面復(fù)合是影響器件開路電壓的重要因素，合理的界面設(shè)計(jì)是提高錫鈣鈦礦太陽能電池性能的重要途徑。

該論文的第一作者為上海科技大學(xué)博士生姜顯園和王飛，通訊作者為上海科技大學(xué)寧志軍教授，蘇州納米所陳立桅研究員和陳棋副研究員為共同作者。

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/三昧）

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