鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池以其結(jié)構(gòu)簡單、制備成本低廉等優(yōu)點(diǎn)吸引了眾多科研工作者的關(guān)注。其光電轉(zhuǎn)化效率在近5年內(nèi)從3.8%迅速提高到15%以上，高于非晶硅太陽電池效率，被Science評選為2013年十大科學(xué)突破之一。隨著電池工藝的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，電池效率有望突破20%，有廣泛的應(yīng)用前景。

但目前該類高效率的電池均采用較為昂貴的有機(jī)分子(比如Spiro-OMeTAD)作為空穴傳輸材料，這在很大程度上提高了電池成本，且有機(jī)材料的長期穩(wěn)定性也值得進(jìn)一步檢驗(yàn)。因此，發(fā)展高效率的無空穴傳輸材料的鈣鈦礦型薄膜太陽能電池成為這類新型太陽能電池的重要研究方向之一。目前，報(bào)道的無空穴傳輸材料的鈣鈦礦薄膜太陽能電池的最高效率達(dá)到了8%，還遠(yuǎn)低于基于空穴材料的鈣鈦礦型電池。同時(shí)，對該類太陽能電池工作機(jī)理的認(rèn)識上還存在敏化機(jī)制和異質(zhì)結(jié)機(jī)制的爭論。

最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員孟慶波研究組在改進(jìn)薄膜沉積工藝的基礎(chǔ)上，通過界面調(diào)控和薄膜沉積優(yōu)化，在無空穴傳輸材料的鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池方面研究取得了重要進(jìn)展，電池效率率先突破10%，電池開路電壓超過900 mV (圖1)。首次采用單異質(zhì)結(jié)理想二極管模型對電池的電流-電壓特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析(圖2)，結(jié)果表明：該類電池的電流-電壓特性與理想模型符合得非常好，是一種典型的異質(zhì)結(jié)電池。電池理想因子A在1.85~1.93之間，表明該電池的二極管正向飽和電流主要由半導(dǎo)體耗盡區(qū)的載流子復(fù)合決定，首次證實(shí)了異質(zhì)結(jié)空間電荷區(qū)的存在。同時(shí)計(jì)算得到了該電池的串聯(lián)電阻和二極管正向飽和電流值，結(jié)果表明，該電池的串聯(lián)電阻和二極管正向飽和電流均很小，可與目前廣泛研究的高效率薄膜太陽能電池（如Cu(In、Ga)Se2, CdTe）比擬。阻抗譜研究進(jìn)一步證實(shí)理想模型分析的準(zhǔn)確性，并得到了自洽的計(jì)算結(jié)果，直接證明了該類電池是異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池。這一結(jié)論對該類太陽能電池器件設(shè)計(jì)和性能提升具有重要的指導(dǎo)意義。

上述研究結(jié)果發(fā)表在最新一期《應(yīng)用物理快報(bào)》上（Appl. Phys. Lett. 104, 063901 (2014））。該工作得到了北京市科委、科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院等項(xiàng)目的支持。

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圖1 電池性能統(tǒng)計(jì)(a)和最優(yōu)性能電池的電流-電壓曲線(b)

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圖2 用于模型分析的電流-電壓曲線(a)及模型分析計(jì)算結(jié)果(b、c、d)