鈣鈦礦太陽能電池是光伏領(lǐng)域近年來興起的一個重要研究方向。由于其優(yōu)良的自組裝特性、有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦能夠通過簡單的低溫濕法工藝實(shí)現(xiàn)大面積的太陽電池組件制備、原材料的豐富低廉和器件效率的飛速發(fā)展，使得其在未來的商業(yè)化應(yīng)用中呈現(xiàn)出巨大潛力。然而，當(dāng)前主流器件結(jié)構(gòu)中普遍采用TiO2等高溫制備的n型半導(dǎo)體材料作為電子傳輸層，這增加了器件的制造能耗和成本，并限制了柔性器件的構(gòu)建。而且TiO2等金屬氧化物較強(qiáng)的紫外光催化性能是造成器件光照穩(wěn)定性差的重要原因。因此，避免該類傳輸材料的使用或開發(fā)新型的界面修飾材料十分重要。

近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義課題組針對此問題取得了系列研究進(jìn)展。

首先，基于前期研究結(jié)果(ACSAppliedMaterialandInterfaces2016,8,9811-9820,SolarEnergyMaterials&SolarCells2016,157,1038-1047)，通過引入外部摻雜劑來控制鈣鈦礦的載流子類型，由此來協(xié)同優(yōu)化鈣鈦礦吸收層前后界面的能帶結(jié)構(gòu)和能級對準(zhǔn)，構(gòu)建了具有高效整流特性的p-n異質(zhì)結(jié)原型器件，為進(jìn)一步揭示此類器件的工作原理和提升此類器件的性能提供了全新思路（圖1）。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在SolarRRL(DOI:10.1002/solr.201800274)上。

進(jìn)一步，針對該類器件發(fā)展過程中存在的問題，研究人員做了深入全面的文獻(xiàn)綜述，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于AdvancedEnergyMaterials(2019,1900248)。基于這些新認(rèn)識，針對鈣鈦礦和透明導(dǎo)電玻璃前電極之間的較大的能級差和界面缺陷，研究人員創(chuàng)新性地將課題組前期開發(fā)的小分子界面材料MSAPBS用于透明導(dǎo)電玻璃（TCO）的功函數(shù)調(diào)控和器件前界面缺陷鈍化（圖2）。該界面材料的引入顯著降低了TCO的功函數(shù)和鈣鈦礦/TCO界面的電子收集勢壘，優(yōu)化后的界面能帶彎曲實(shí)現(xiàn)了高效的電子選擇性收集；界面層分子中SO3-和NH3+的存在進(jìn)一步鈍化了鈣鈦礦/TCO界面的缺陷態(tài)，保證了高效的電子收集，與此同時(shí)顯著提升了器件的短路電流密度、開路電壓、填充因子，最終實(shí)現(xiàn)了效率達(dá)20.6%的無金屬氧化物電子傳輸層鈣鈦礦太陽電池。由于電子收集勢壘的消除和界面缺陷的鈍化抑制了電荷積累，器件的遲滯效應(yīng)得到了抑制，穩(wěn)定性也顯著提升。相關(guān)研究工作投稿于AdvancedScience(2019,DOI:10.1002/advs.201902656)。

此外，通過與美國西北大學(xué)教授TobinJ.Marks和AntonioFacchetti課題組合作，將該類界面材料引入到經(jīng)典平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池中，自下而上地鈍化了器件前界面和鈣鈦礦吸收層的體相缺陷態(tài)，抑制了器件的遲滯效應(yīng)，顯著提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率（21.18%）、環(huán)境濕熱穩(wěn)定性和光照穩(wěn)定性（圖3）。相關(guān)研究工作發(fā)表于AdvancedMaterials(2019,1903239)。

上述研究得到國家自然科學(xué)基金（61904182）、博士后科研創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX20180322）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0401000）、浙江省杰出青年基金（LR16B040002）、寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2015B11002、2016B10005）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SYS030）、中科院重點(diǎn)國際合作項(xiàng)目（174433KYSB20160065）和國家自然科學(xué)基金杰出青年基金（21925506）等資助。

圖1(a,b)摻雜前后鈣鈦礦薄膜的UPS譜，器件各功能層的能級對準(zhǔn)變化(c)，摻雜前(d)和摻雜后(e)器件能帶結(jié)構(gòu)的變化

圖2(a)器件斷面SEM照片,(b)器件能帶結(jié)構(gòu),參照組和優(yōu)化組器件性能參數(shù)對比：J-V曲線(c),EQE曲線(d),穩(wěn)態(tài)輸出曲線(e)和性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布(f)

圖3(a)采用不同電子傳輸層的最優(yōu)器件的J-V曲線,器件性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布(b),器件的遲滯特性(c),器件的穩(wěn)態(tài)輸出(d),器件的濕熱穩(wěn)定性測試(e,f)和光照穩(wěn)定性測試(g)