华北电力大学李美成教授团队Nature Energy：平面型钙钛矿p-n同质结太阳电池

Alisa 6年前 (2019-02-15) 6367浏览

【引言】

有机无机杂化钙钛矿太阳电池以其出色的光电转换效率、灵活简单的制备工艺以及优异的材料特性掀起了研究的热潮。近十年，钙钛矿电池的认证效率由最初的3.8%迅猛发展到23.7%。目前平面型钙钛矿电池大多基于p-i-n异质结的结构，然而钙钛矿材料具有可控的自掺杂特性，这使钙钛矿同质结结构的设计成为可能，有望突破现有p-i-n结构的限制。在钙钛矿同质结的结构中，p型和n型的钙钛矿薄膜间可有效地形成内建电场，将其引入平面型电池中，可以有效增强载流子的定向传输，进一步减少复合损失，从而提升光电性能。

【成果简介】

华北电力大学李美成教授（通讯作者）团队首次提出并构建了钙钛矿同质结结构，进一步将其应用于平面型钙钛矿太阳电池中，促进载流子的定向传输，减少了载流子复合，获得了超过21.3%的光电转换效率。团队有效地管理了钙钛矿材料的缺陷数量，通过自掺杂的方法实现了钙钛矿材料载流子浓度和分布的精确调控，从而实现了钙钛矿p-n同质结结构。这项工作为钙钛矿太阳电池的进一步发展做出了贡献，也可大大拓宽钙钛矿材料在太阳电池以外领域的应用。相关研究结果发表在Nature Energy, DOI: 10.1038/s41560-018-0324-8 (https://rdcu.be/bj4EZ)。华北电力大学博士研究生崔鹏和卫东为本文共同第一作者。

Nature Energy同期评论（news & views），Ji-Sang Park and Aron Walsh发表评论文章PEROVSKITE PHOTOVOLTAICS，Embrace your defects（DOI：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0329-y）。文章指出：p-n同质结电池的研制开辟了钙钛矿电池新的发展路径；中国的研究者们报道了钙钛矿p-n同质结，这为钙钛矿电池利用传统Si电池的器件结构和优势工艺开辟了道路；研究成果的影响超出太阳电池，也包括大电流模式的LED发光应用、低电流模式的神经形态计算（neuromorphic computing）等方面的广泛影响。

【图文导读】

图1 平面型钙钛矿同质结太阳电池的结构及制备原理图

图2 平面型钙钛矿同质结太阳电池中的载流子产生与复合

图3 钙钛矿同质结薄膜的掺杂、载流子传输与光学特性

图4 截面的钙钛矿同质结器件KPFM测试

图5 平面型钙钛矿同质结太阳电池的光电性能

图6 平面型钙钛矿同质结薄膜及电池稳定性分析

【小结】

该团队首次实现了钙钛矿p-n同质结结构，并通过截面的KPFM等测试技术证明了钙钛矿同质结中内建电场的形成；将MAPbI3同质结应用于平面型钙钛矿电池中，获得了20.5%的认证效率；进一步将FA0.15MA0.85PbI3同质结应用于平面型钙钛矿电池中，获得了21.38%的光电转换效率。这项工作通过对钙钛矿材料载流子浓度与分布的精确调控，设计了钙钛矿p-n同质结结构，为提高钙钛矿太阳电池性能提供了具有前景的方法。此外，钙钛矿p-n同质结结构拓宽了钙钛矿材料在太阳电池以外领域的应用。

作者简介

李美成，男，二级教授、博导。现任华北电力大学国家重大科技基础设施筹建办公室常务副主任，可再生能源学院副院长。2004年至2006年期间在英国剑桥大学作皇家研究员。2006年入选教育部“新世纪优秀人才”。2009年获黑龙江省第九届青年科技奖，并获黑龙江省自然科学一等奖（第一完成人）。2016年获北京市科学技术奖，2017年入选北京市百名科技领军人才，2018年入选国家创新人才推进计划“科技创新领军人才”。享受国务院政府特殊津贴专家，教育部高等学校教指委委员（2018-2022）。近年来，在太阳电池及锂离子电池领域开展了广泛深入的研究，在Energ. & Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Adv. Sci.等国际知名期刊共发表论文200余篇。

华北电力大学“新能源材料与器件实验室”依托“新能源电力系统国家重点实验室”和"清洁能源学"北京市重点学科，研究与开发新型太阳电池等能量转换器件、锂/钠离子电池等能量存储器件，以及光纤传感器等未来能源互联网和综合能源系统所需新型电力、信息元器件等传感器件。

文献链接：https://rdcu.be/bj4EZ

本文由华北电力大学李美成教授团队供稿，材料人编辑部编辑。

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