記者2日從中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院獲悉，該院固體物理研究所潘旭研究員和田興友研究員團(tuán)隊與國內(nèi)外科研工作者合作，首次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦陽離子面外分布不均勻是影響電池性能的主要原因，并通過設(shè)計添加劑均勻化鈣鈦礦薄膜相分布，獲得了26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。11月2日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然》雜志。
近年來，鈣鈦礦電池效率的提升速度明顯放緩，相關(guān)研究遇到了“瓶頸”。深入研究陽離子面外方向分布，不但有助于理解鈣鈦礦體相載流子動力學(xué)過程，更有望推動鈣鈦礦太陽電池效率的進(jìn)一步提升。但是鈣鈦礦體相的不同陽離子組分分布以及影響電池穩(wěn)定性和效率損失的原因目前尚不清楚。
研究團(tuán)隊對鈣鈦礦薄膜晶相分布進(jìn)行了深度剖析，通過掠入射X射線衍射與薄膜截面的透射電鏡分析，證明了在薄膜底部存在面間距較小的晶相，并且在薄膜底部顯示出與富Cs鈣鈦礦相關(guān)的特征信號。這些實驗充分說明，陽離子面外方向的梯度不均勻分布。這也是首次可視化驗證了鈣鈦礦薄膜的陽離子組分在面外不均勻分布。
研究團(tuán)隊進(jìn)一步分析了這種梯度不均勻分布的原因，發(fā)現(xiàn)不同陽離子在結(jié)晶及相轉(zhuǎn)變過程中的速率差過大是導(dǎo)致組分不均勻的主要原因。進(jìn)而，團(tuán)隊設(shè)計制備出均勻化的鈣鈦礦薄膜。這種陽離子組分均勻分布的鈣鈦礦薄膜極大程度上提升了載流子壽命及擴(kuò)散長度，加強(qiáng)了載流子界面抽取。利用上述策略制備的反式鈣鈦礦太陽電池獲得了26.1%的最高效率，認(rèn)證效率為25.8%。此外，經(jīng)2500小時最大功率電追蹤后仍保持了可靠運行穩(wěn)定性。
該研究成果在獲得優(yōu)異電池性能的同時，開辟了提升電池器件穩(wěn)定性的新途徑，有望打破鈣鈦礦太陽電池的效率瓶頸，為進(jìn)一步提升高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽電池提供了明確的方向。(記者吳長鋒)
作者：吳長鋒
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