太陽能的利用是當前物理、能源、材料等領域交叉研究的前沿熱點。鈣鈦礦型有機—無機雜化材料是近兩年來備受關注的新型光伏材料，其光電轉換效率已迅速攀升到17.9%（經權威機構驗證）。近期，該紀錄又被刷新到19.3%（Science雜誌報導），並有希望達到晶體矽電池的25%的水平。“介觀光學與飛秒光物理”國家自然科學基金委創新研究群體成員肖立新教授、朱瑞研究員和龔旗煌院士等在已有工作的基礎上，積極開展相關前沿研究，取得了系列重要進展。
有機—無機雜化鈣鈦礦型光伏材料是由有機單元與無機單元通過離子鍵結合而成的一類新型光伏材料，具有AMX3晶格結構，其中A為有機陽離子如CH3NH3+，M為二價金屬離子如Pb2+、Sn2+等，X為Cl-、Br-或I-等鹵素離子。
無機單元形成互連結構以提供載流子傳輸，使得該類材料具有高的電荷傳輸能力；有機單元可以穩定其結構，並改進材料溶解性，使材料可通過溶液加工成膜。相對於其它類型的太陽能電池，介觀結構鈣鈦礦型光伏電池具有成本低、吸收光譜寬、吸收係數高、製作工藝簡單的優勢，因此吸引了學術界和產業界的廣泛關注。
研究發現，鈣鈦礦型光伏材料的結晶形貌對其光電性能的影響至關重要，肖立新教授、龔旗煌院士與西安交通大學吳朝新教授、侯洵院士合作，通過分步溶液成膜方法對摻氯鈣鈦礦材料進行優化，相對於一步溶液成膜方法，微觀形貌容易控制，器件效率得到極大提高，並進一步研究鈣鈦礦薄膜材料的成膜條件，實現對鈣鈦礦薄膜形貌的調控，成功製備介觀結構的鈣鈦礦太陽能電池，同時提高太陽能電池的吸光能力及電荷傳輸能力，研究結果分別發表在Chem. Commun. 2014，50，12458的內封面文章及Nanoscale， 2014，6，8171上。該創新研究群體還針對鈣鈦礦電池急需解決的穩定性問題，開發了一種新型疏水性空穴傳輸材料使器件的穩定性得到極大改善（Chem. Commun. 2014，50，11196），相關工作已經申請中國發明專利。
“青年千人”研究員朱瑞博士和龔旗煌院士針對鈣鈦礦太陽能電池中的界面工程問題，利用鹼金屬鹽修飾透明導電電極表面，優化了透明電極與鈣鈦礦活性層材料之間的能級匹配，實現了不依賴於氧化物緻密層的鈣鈦礦型太陽能結構，該器件的光電轉換效率可達到15.1%。結果表明，通過界面修飾工程可以替代常規的緻密氧化物薄膜，實現電子的有效收集，這將有助於簡化器件的製備工藝，同時也使鈣鈦礦太陽能電池仍保持良好的器件性能。該工作即將發表在ACS Nano（已接收）上，相關成果也已經申請中國發明專利。
在本研究工作中博士生馬英壯、鄭靈靈和胡芹起到了重要的作用，分別作為相關論文第一作者。參加研究工作的還有陳志堅教授、王樹峰副教授、曲波副教授等。該研究工作得到國家自然科學基金委、科技部、“人工微結構和介觀物理”國家重點實驗室和“2011計劃”量子物質科學協同創新中心的支持。
來源：北京大學
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