北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授陳棋團(tuán)隊(duì)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(yùn)行穩(wěn)定性。8月2日，相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)》。
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(jìn)行精準(zhǔn)的控制。然而這類材料組分復(fù)雜，以不同的晶核為起點(diǎn)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)，這些薄膜也表現(xiàn)出更好的光熱穩(wěn)定性。光老化200小時(shí)后，薄膜的PL波長漂移得到顯著抑制。85°C熱老化831小時(shí)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(biāo)準(zhǔn)光照條件下，在25°C和50°C分別跟蹤1301小時(shí)和800小時(shí)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(yùn)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(yùn)行56小時(shí)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(xué)材料學(xué)院助理教授陳怡華、博士生楊寧、中國科學(xué)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(xué)報(bào)
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