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鈣鈦礦太陽能電池經(jīng)過十余年的快速發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的3.8%提升至超過26%，但與理論極限效率仍存在一定差距。制備高質(zhì)量鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜是實現(xiàn)高效率鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵要素。甲基氯化銨（MACl）因能同時降低鈣鈦礦成核勢壘并促進晶體高質(zhì)量生長，被廣泛作為鈣鈦礦薄膜生長的輔助材料。近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員游經(jīng)碧團隊發(fā)現(xiàn)，基于甲基氯化銨（MACl）制備的鈣鈦礦薄膜，存在垂直方向上氯分布不均勻的問題，主要原因是MACl中的氯離子在鈣鈦礦結(jié)晶過程中迅速遷移至上表面引起富集。這種不均勻的氯分布會誘發(fā)鈣鈦礦上表面產(chǎn)生缺陷和界面電子勢壘，引起載流子復(fù)合損失，阻礙載流子輸運，制約了器件光電轉(zhuǎn)換效率的進一步提升，同時影響其長期運行穩(wěn)定性。針對傳統(tǒng)生長方法導(dǎo)致鈣鈦礦中氯元素分布不均的問題，團隊提出了垂直方向均勻化氯元素分布的策略（HVCD）：通過在鈣鈦礦薄膜生長中引入堿金屬草酸鹽，利用解離出的鉀離子與氯離子之間的強結(jié)合作用，有效束縛氯元素的垂直無序遷移，使其在鈣鈦礦材料中均勻分布?；谶@一方法，研究團隊成功制備出載流子壽命高達20微秒，界面缺陷態(tài)密度低至1013每立方厘米的鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜，顯著抑制了由鹵素Cl元素上表面富集引起的載流子復(fù)合，并消除了界面電子勢壘?；谒_發(fā)的氯元素均勻分布的鈣鈦礦薄膜，團隊研制出經(jīng)多家權(quán)威機構(gòu)認(rèn)證、光電轉(zhuǎn)換效率為27.2%的鈣鈦礦太陽能電池原型器件。器件在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光和最大功率輸出點條件下持續(xù)運行1529小時后，仍保持初始效率的86.3%。此外，器件在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光與85℃光熱耦合加速老化條件下，持續(xù)運行1000小時后仍能維持初始效率的82.8%。該研究實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池效率與穩(wěn)定性方面的協(xié)同提升，將為其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供重要支撐。相關(guān)研究成果以Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃等的支持。論文鏈接科學(xué)家研制出光電轉(zhuǎn)換效率超27%的鈣鈦礦太陽能電池