新结构让钙钛矿太阳电池性能大幅改善

中国科学技术大学教授徐集贤团队与合作者针对钙钛矿太阳电池中长期普遍存在的“钝化-传输”矛盾问题，提出了一种名为多孔绝缘接触(PIC)的新型结构和突破方案，并基于严格的模型仿真和实验给出了PIC方案的设计原理和概念验证，实现了p-i-n反式结构器件稳态认证效率的世界纪录，并在多种基底和钙钛矿组分中展现了普遍的适用性。近日，研究成果发表于《科学》。

PIC接触结构方案的主要思想是不依赖传统纳米级钝化层和隧穿传输，而直接使用百纳米级厚度的多孔绝缘层，迫使载流子通过局部开孔区域进行传输，同时减少接触面积。

研究团队的半导体器件建模计算揭示了这种PIC结构周期应该与钙钛矿载流子传输长度匹配的关键设计原理。PIC方案与晶硅太阳能电池领域的局部接触技术有异曲同工之妙，但不同的是，钙钛矿中的载流子扩散长度较单晶硅要短很多，从毫米级别大幅缩小到微米甚至更短，这就要求PIC的尺寸和结构周期在百纳米级别。传统的晶硅局部接触工艺不能直接满足这种精度要求，而使用高精度微纳加工技术在制备面积和成本方面存在不足。

为应对该挑战，团队巧妙利用了纳米片的尺寸效应，通过PIC生长方式从常规“层+岛”模式向“岛状”模式转变，成功以低温低成本的溶液法实现了这种纳米结构的制备。

此外，研究团队在叠层器件中广泛使用的p-i-n反式结构中开展了PIC方案的验证，首次实现了空穴界面复合速度从60厘米/秒下降至10厘米/秒，以及25.5%的单结最高效率。这种性能的大幅改善在多种带隙和组分的钙钛矿中普遍存在。

PIC方案具有普遍性，可进一步在不同的器件结构和界面中推广拓展;同时目前实验实现的PIC覆盖面积还远未达到其设计潜力，可进一步优化获得更大的性能提升。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.ade3126