北京理工大學前沿交叉科學研究院教授陳棋團隊與合作者提出了一種簡單普適的晶核工程策略，該策略通過調(diào)控前驅(qū)液中優(yōu)勢晶核，優(yōu)化了寬帶隙鈣鈦礦薄膜的織構(gòu)，提升了薄膜質(zhì)量，由此顯著提高了鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的效率與長期運行穩(wěn)定性。8月2日，相關(guān)成果發(fā)表于《科學》。
鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池通常使用具有復(fù)雜組分的寬帶隙材料作為頂部電池的吸光層，這類材料在使役過程中因其結(jié)晶質(zhì)量差，容易發(fā)生離子遷移和相分離，導(dǎo)致鈣鈦礦/晶硅疊層電池的長期穩(wěn)定性和使用壽命不盡理想。改善寬帶隙鈣鈦礦的晶體質(zhì)量和織構(gòu)特性需要對其結(jié)晶生長過程進行精準的控制。然而這類材料組分復(fù)雜，以不同的晶核為起點的結(jié)晶途徑會相互競爭，最終導(dǎo)致薄膜存在多種相態(tài)且組分分布不均一，產(chǎn)生大量缺陷。
針對這一問題，團隊提出了一種簡單普適的晶核工程策略，通過在前驅(qū)液中簡單地添加長鏈烷基胺，如油胺碘，形成具有均勻組分分布的單一3C相優(yōu)勢晶核，大幅抑制了其他非理想晶核的產(chǎn)生。同時結(jié)合真空抽氣薄膜沉積技術(shù)，減少晶核生長過程中局部環(huán)境的影響，從而制備出高結(jié)晶性且晶面取向高度集中的高質(zhì)量寬帶隙鈣鈦礦薄膜。
應(yīng)用晶核工程，團隊制備出具有更低非輻射復(fù)合損失的寬帶隙鈣鈦礦薄膜與鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池。基于1平方厘米和25平方厘米活性面積的器件分別取得了32.5%（第三方評估為32.0%）和29.4%（第三方評估為28.9%）的光電轉(zhuǎn)換效率。
同時，這些薄膜也表現(xiàn)出更好的光熱穩(wěn)定性。光老化200小時后，薄膜的PL波長漂移得到顯著抑制。85°C熱老化831小時后，薄膜的XRD信號與初始狀態(tài)保持一致，晶體質(zhì)量保持良好。封裝的鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池于標準光照條件下，在25°C和50°C分別跟蹤1301小時和800小時后，保持了初始效率的98.3%和90%，相比較于未優(yōu)化的樣品，具有更長的運行壽命。
此外，器件也展現(xiàn)出在臨近空間等極端環(huán)境應(yīng)用的可能性。封裝后的器件在全譜光照、245 K、5 kPa低氣壓下運行56小時后，依然保留了初始效率的90.4%。
論文第一作者為北京理工大學材料學院助理教授陳怡華、博士生楊寧、中國科學院上海高等研究院同步輻射中心副研究員鄭官豪杰，論文通訊作者為陳怡華、北京曜能科技有限公司博士吳頤良、陳棋。
來源：中國科學報
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