中國科學技術(shù)大學教授徐集賢團隊與合作者針對鈣鈦礦太陽電池中長期普遍存在的“鈍化-傳輸”矛盾問題，提出了一種名為多孔絕緣接觸(PIC)的新型結(jié)構(gòu)和突破方案，并基于嚴格的模型仿真和實驗給出了PIC方案的設(shè)計原理和概念驗證，實現(xiàn)了p-i-n反式結(jié)構(gòu)器件穩(wěn)態(tài)認證效率的世界紀錄，并在多種基底和鈣鈦礦組分中展現(xiàn)了普遍的適用性。近日，研究成果發(fā)表于《科學》。

PIC接觸結(jié)構(gòu)方案的主要思想是不依賴傳統(tǒng)納米級鈍化層和隧穿傳輸，而直接使用百納米級厚度的多孔絕緣層，迫使載流子通過局部開孔區(qū)域進行傳輸，同時減少接觸面積。

研究團隊的半導(dǎo)體器件建模計算揭示了這種PIC結(jié)構(gòu)周期應(yīng)該與鈣鈦礦載流子傳輸長度匹配的關(guān)鍵設(shè)計原理。PIC方案與晶硅太陽能電池領(lǐng)域的局部接觸技術(shù)有異曲同工之妙，但不同的是，鈣鈦礦中的載流子擴散長度較單晶硅要短很多，從毫米級別大幅縮小到微米甚至更短，這就要求PIC的尺寸和結(jié)構(gòu)周期在百納米級別。傳統(tǒng)的晶硅局部接觸工藝不能直接滿足這種精度要求，而使用高精度微納加工技術(shù)在制備面積和成本方面存在不足。

為應(yīng)對該挑戰(zhàn)，團隊巧妙利用了納米片的尺寸效應(yīng)，通過PIC生長方式從常規(guī)“層+島”模式向“島狀”模式轉(zhuǎn)變，成功以低溫低成本的溶液法實現(xiàn)了這種納米結(jié)構(gòu)的制備。

此外，研究團隊在疊層器件中廣泛使用的p-i-n反式結(jié)構(gòu)中開展了PIC方案的驗證，首次實現(xiàn)了空穴界面復(fù)合速度從60厘米/秒下降至10厘米/秒，以及25.5%的單結(jié)最高效率。這種性能的大幅改善在多種帶隙和組分的鈣鈦礦中普遍存在。

PIC方案具有普遍性，可進一步在不同的器件結(jié)構(gòu)和界面中推廣拓展;同時目前實驗實現(xiàn)的PIC覆蓋面積還遠未達到其設(shè)計潛力，可進一步優(yōu)化獲得更大的性能提升。

相關(guān)論文信息：

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