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中國科學技術(shù)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，提出了命名為PIC(porous insulator contact，多孔絕緣接觸)的新型結(jié)構(gòu)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(shè)計原理和概念驗證，實現(xiàn)了p-i-n反式結(jié)構(gòu)器件穩(wěn)態(tài)認證效率的世界紀錄，并在多種基底和鈣鈦礦組分中展現(xiàn)了普遍的適用性。2月17日，相關(guān)研究成果以《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(fā)表在《科學》(Science)上。

科研團隊經(jīng)過長期思考和大量實驗探索，提煉出這種PIC接觸結(jié)構(gòu)方案。該研究的主要思想是不依賴傳統(tǒng)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(qū)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(jié)構(gòu)周期應與鈣鈦礦載流子傳輸長度匹配的關(guān)鍵設(shè)計原理。PIC方案與晶硅太陽能電池領(lǐng)域的局部接觸技術(shù)有異曲同工之妙，然而，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，這要求PIC的尺寸和結(jié)構(gòu)周期要在百納米級別。傳統(tǒng)的晶硅局部接觸工藝不能直接滿足這種精度要求，而使用高精度微納加工技術(shù)在制備面積和成本方面存在不足。面對這一挑戰(zhàn)，科研人員巧妙地利用納米片的尺寸效應，通過PIC生長方式從常規(guī)“層+島”(Stranski-Krastanov)模式向“島狀”(Volmer-Weber)模式的轉(zhuǎn)變，采用低溫低成本的溶液法實現(xiàn)了這種納米結(jié)構(gòu)的制備。

研究在疊層器件中廣泛使用的p-i-n反式結(jié)構(gòu)中開展了PIC方案的驗證，首次實現(xiàn)了空穴界面復合速度從~60cm/s下降至10cm/s以及25.5%的單結(jié)最高效率(p-i-n結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)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均普遍存在，展現(xiàn)了PIC廣闊的應用前景。另外，PIC結(jié)構(gòu)在多種疏水性基底均實現(xiàn)了鈣鈦礦成膜覆蓋率和結(jié)晶質(zhì)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頗有意義。

原標題：中國科大提出鈣鈦礦太陽電池新結(jié)構(gòu)方案