【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊”朱瑞教授和龔旗煌院士團隊與合作者展開研究，發(fā)現(xiàn)了高密勒指數(shù)晶面在調(diào)控微米級鈣鈦礦厚膜晶粒質(zhì)量方面的重要指導(dǎo)作用，并發(fā)展了精細溫度調(diào)控方法，實現(xiàn)了高質(zhì)量微米級鈣鈦礦厚膜的可控制備。以此為基礎(chǔ)，團隊研制出光電轉(zhuǎn)換效率超過26%的高性能反式鈣鈦礦太陽能電池。2024年10月14日，相關(guān)研究成果以《高密勒指數(shù)晶面的相干生長提升鈣鈦礦太陽能電池性能》(“Coherent growth of high-Miller-index facets enhances perovskite solar cells”)為題，發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上。
近年來，我國大力推進清潔能源科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型的清潔能源技術(shù)，也在為推動我國光伏產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展注入新的動能。目前，反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍低于其理論極限，主要原因之一在于鈣鈦礦吸光層的厚度不足，導(dǎo)致對入射光子能量的俘獲不夠充分。通常來說，增加鈣鈦礦吸光層的厚度可以增強對入射光的吸收，從而提高對入射光子的俘獲能力，獲得更多的光學(xué)增益，進而提升光電轉(zhuǎn)換效率。然而，鈣鈦礦吸光層中存在缺陷，吸光層薄膜增厚往往伴隨著薄膜中缺陷的增加，導(dǎo)致薄膜中非輻射復(fù)合變得更加嚴(yán)重、電池光電轉(zhuǎn)換效率降低，入射光吸收增強帶來的光學(xué)增益會被抵消。因此，亟須開發(fā)新的方法來克服這項挑戰(zhàn)。
圖1. 調(diào)控高密勒指數(shù)晶面及相關(guān)機制。(a)短路電流密度隨鈣鈦礦薄膜厚度變化的理論與實驗值；(b)微米厚鈣鈦礦薄膜的X射線衍射圖譜；(c)時間分辨光致發(fā)光譜；(d)DFT計算得到不同晶面取向鈣鈦礦的表面能；(e)不同化學(xué)勢條件下的表面能
基于此，研究團隊通過精準(zhǔn)控制鈣鈦礦薄膜涂布階段的環(huán)境溫度，優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的成核和晶粒生長過程，成功制備出具有高密勒指數(shù)(211)晶面擇優(yōu)取向的高質(zhì)量鈣鈦礦厚膜，并揭示其在減少薄膜電學(xué)損失方面的機理。通過密度泛函理論(DFT)計算發(fā)現(xiàn)，高密勒指數(shù)的(211)晶面在生長延伸至薄膜表面時，具備自發(fā)調(diào)節(jié)碘原子數(shù)量至化學(xué)計量比狀態(tài)的“自鈍化”能力。在“自鈍化”后，(211)晶面的表面能進一步降低，且對化學(xué)勢的依賴性較小，能夠在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定，從而提升薄膜的光電特性(圖1)。此外，通過冷凍透射電子顯微鏡(Cryo-TEM)對鈣鈦礦薄膜進行原子級觀測，研究團隊發(fā)現(xiàn)在(211)取向晶粒與(001)取向晶粒之間形成了“相干晶界”，抑制了晶界位置的懸掛鍵、點缺陷、線位錯等，提升了電池的光電性能(圖2)。
圖2. 原子尺度高分辨率冷凍透射電子顯微鏡(Cryo-TEM)圖像及相干晶界。(a)鈣鈦礦[211]晶帶軸與[001]晶帶軸軸之間相干晶界的高分辨冷凍電鏡圖像；(b)相干晶界的放大圖；(c)對應(yīng)的快速傅里葉變換(FFT)圖案；(d)相干晶界的理論原子模型
基于這一機制，研究團隊通過調(diào)控鈣鈦礦薄膜中的高密勒指數(shù)晶面，制備出微米級厚度的高質(zhì)量鈣鈦礦光吸收層，并進一步制備出高性能反式鈣鈦礦太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率最高達26.1%(第三方認(rèn)證值為25.85%)，同時，電池在光、熱等外界條件下的穩(wěn)定性也有顯著改善(圖3)。以上理論與實驗結(jié)果表明，調(diào)控鈣鈦礦薄膜中的高密勒指數(shù)晶面及其相干晶界，將有助于獲得高質(zhì)量的、微米級厚度的鈣鈦礦光吸收層，這為實現(xiàn)高性能鈣鈦礦太陽能電池提供了重要的方法指導(dǎo)。
圖3. 電池光電轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性。(a—c)0.07cm2電池、1cm2電池以及迷你模組的最高光電轉(zhuǎn)換效率；(d)電池穩(wěn)定性
北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所2021級博士研究生黎順德、2021屆畢業(yè)生蘇睿博士、牛津大學(xué)肖云博士、劍橋大學(xué)許衛(wèi)東博士為該論文的共同第一作者，朱瑞、龔旗煌、北京航空航天大學(xué)羅德映教授、牛津大學(xué)Henry J. Snaith教授、劍橋大學(xué)Samuel D. Stranks教授和寧波東方理工大學(xué)(暫名)韓兵助理教授為論文的共同通訊作者。工作得到新加坡國立大學(xué)智能功能材料研究院黃鵬儒博士和Kostya S. Novesolov教授在理論計算方面的支持。主要合作者還包括牛津大學(xué)Laura M. Herz教授、倫敦帝國理工學(xué)院James R. Durrant教授、多倫多大學(xué)呂正紅教授、常州大學(xué)/南京工業(yè)大學(xué)王建浦教授等。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、松山湖材料實驗室開放課題、云南省西南聯(lián)合研究生院科技項目、北京市科技新星計劃、江蘇省自然科學(xué)基金、南通市基礎(chǔ)科學(xué)研究計劃、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學(xué)中心、北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院、山西大學(xué)極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、英國皇家學(xué)會、英國工程和自然科學(xué)研究委員會、新加坡教育部、新加坡國家超級計算中心等的大力支持。
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