經過長期攻關，武漢大學物理科學與技術學院柯維俊教授、方國家教授團隊在探索全鈣鈦礦疊層太陽能電池性能提升方面有了新進展，創造性提出天冬氨酸鹽酸鹽一體化摻雜策略，有效提高了窄帶隙鈣鈦礦子電池的效率和穩定性，為進一步提升電池性能找到新途徑。相關研究成果近日發表在《自然》雜誌上。
據介紹，新型金屬鹵化物鈣鈦礦具有製備工藝簡單、缺陷容忍度高、吸收係數高、載流子擴散長度長等優點，在光電子器件領域備受關注，被業內認為是極具前景的下一代光伏材料之一。
論文通訊作者之一、武漢大學物理科學與技術學院教授柯維俊表示，在實際應用中，全鈣鈦礦疊層太陽能電池由頂部的寬帶隙鈣鈦礦子電池和底部的窄帶隙鈣鈦礦子電池一體化疊加而成，而其中不夠優異的窄帶隙鈣鈦礦子電池是其未來實現商業化應用的絆腳石之一。
為此，研究團隊將天冬氨酸鹽酸鹽引入到全鈣鈦礦疊層太陽能電池底部的空穴傳輸層、鈣鈦礦體吸光層和上界面層中，開發了一種採用同一分子處理的一體化摻雜策略，極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質量。除了與鈣鈦礦前驅體配位外，天冬氨酸鹽酸鹽分子還具有很強的分子間氫鍵，富集在鈣鈦礦上、下界面處的天冬氨酸鹽酸鹽因此充當了鈣鈦礦層和傳輸層界面之間的分子鎖，進一步提升了鈣鈦礦材料的性能和穩定性。
此外，如何抑制窄帶隙鈣鈦礦子電池中不穩定的二價錫金屬離子自發氧化也是行業痛點之一。此項研究結果表明天冬氨酸鹽酸鹽可以有效抑制二價錫金屬離子氧化，減少有害的四價錫雜質。不僅如此，天冬氨酸鹽酸鹽的引入還可以鈍化鈣鈦礦材料的缺陷，調節費米能級，抑制有害的離子遷移等，從而加強器件的性能和穩定性。
電池製備流程示意圖、疊層電池結構和效率圖。（武漢大學物理科學與技術學院柯維俊教授、方國家教授團隊供圖）
柯維俊説，研究顯示，這種簡易的一體化摻雜策略實現了一舉多能，將窄帶隙鈣鈦礦子電池的穩態效率提升到27.62%，為全鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能提升提供了新途徑。（記者侯文坤）