鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽(yáng)能電池以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yáng)電池效率，被Science評(píng)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(lèi)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(zhǎng)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(wú)空穴傳輸材料的鈣鈦礦型薄膜太陽(yáng)能電池成為這類(lèi)新型太陽(yáng)能電池的重要研究方向之一。目前，報(bào)道的無(wú)空穴傳輸材料的鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)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(duì)該類(lèi)太陽(yáng)能電池工作機(jī)理的認(rèn)識(shí)上還存在敏化機(jī)制和異質(zhì)結(jié)機(jī)制的爭(zhēng)論。
最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)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(guò)界面調(diào)控和薄膜沉積優(yōu)化，在無(wú)空穴傳輸材料的鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽(yáng)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(kāi)路電壓超過(guò)900 mV (圖1)。首次采用單異質(zhì)結(jié)理想二極管模型對(duì)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(lèi)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(yáng)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(lèi)電池是異質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池。這一結(jié)論對(duì)該類(lèi)太陽(yáng)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(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院等項(xiàng)目的支持。