中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義和劉暢等，在前期鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于化學(xué)硬度理論的多組分鈣鈦礦結(jié)晶同步化調(diào)控策略。相關(guān)成果日前發(fā)表于《自然-納米技術(shù)》。
全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池因能夠更充分地利用太陽(yáng)光譜，并突破單結(jié)太陽(yáng)能電池的理論效率極限，被認(rèn)為是下一代高效光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。
然而，全鈣鈦礦疊層器件通常由寬帶隙和窄帶隙鈣鈦礦子電池組成，其吸光層體系包含多種鹵素離子或者金屬離子。復(fù)雜的多組分特征，使不同前驅(qū)體物種在成膜過(guò)程中容易出現(xiàn)成核和結(jié)晶速率不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致垂直組分分布不均、晶格應(yīng)力積累、缺陷形成和非輻射復(fù)合增強(qiáng)，嚴(yán)重制約了器件效率和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升。
為了解決這一問(wèn)題，作者提出的調(diào)控策略以硬軟酸堿理論為指導(dǎo)，根據(jù)不同前驅(qū)體組分的化學(xué)硬度差異，設(shè)計(jì)具有選擇性配位能力的陰離子添加劑，從而調(diào)控多組分鈣鈦礦體系中的成核與晶體生長(zhǎng)過(guò)程。
研究發(fā)現(xiàn)，二氟草酸硼酸根離子能夠有效調(diào)控寬帶隙鈣鈦礦中的鹵素結(jié)晶行為，而四氟硼酸根離子則適用于窄帶隙錫鉛鈣鈦礦體系。通過(guò)選擇性配位和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)調(diào)控，上述添加劑能夠同步不同組分的成核和生長(zhǎng)過(guò)程，抑制垂直方向組分分布不均，降低缺陷密度和應(yīng)力積累，從而獲得更加均勻、高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。
研究結(jié)果表明，這一設(shè)計(jì)思路有效提升了全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的器件性能與穩(wěn)定性。基于該策略構(gòu)筑的兩端剛性疊層器件實(shí)現(xiàn)了30.3%的光電轉(zhuǎn)換效率，并獲得30.3%的認(rèn)證效率；在最大功率點(diǎn)連續(xù)跟蹤1000小時(shí)后，器件仍保持初始效率的92%。此外，該策略同樣適用于柔性全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池，優(yōu)化后的柔性器件實(shí)現(xiàn)了28.2%的最高效率，并獲得28.0%的認(rèn)證效率。
此項(xiàng)工作不僅揭示了復(fù)雜組分鈣鈦礦中不同步的結(jié)晶和組分不均一的形成機(jī)制，還提出了一種基于軟硬酸堿原理的添加劑設(shè)計(jì)思路，為實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、輕質(zhì)和柔性的全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池提供了重要的材料與方法學(xué)支撐。
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