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準分子激光技術(shù)提升鈣鈦礦太陽電池性能

發(fā)布時間：2019-05-17 來源：元祿光電

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機械研究所激光技術(shù)中心研究員方曉東課題組在利用準分子激光技術(shù)提升鈣鈦礦太陽電池（Perovskite solar cells，以下簡稱PSCs）性能研究方面取得新進展。

PSCs自2009年被首次報道以來發(fā)展迅速，目前其光電轉(zhuǎn)換效率已超越多晶硅太陽電池，達到了24.2%，極具應(yīng)用前景。PSCs的光吸收層有機無機雜化鈣鈦礦薄膜通常采用溶液方法在低溫（＜150℃）下制備，既可構(gòu)筑剛性太陽電池又具有發(fā)展柔性太陽電池的天然優(yōu)勢。但溶液方法制備的鈣鈦礦薄膜表面會存在大量的缺陷，造成光生載流子的復(fù)合，阻礙電池性能的進一步提高。同時，目前PSCs常用電子傳輸層的制備過程需要在400~500℃的溫度下退火晶化，而此溫度超過了常用柔性基底能夠承受的溫度，制約了柔性PSCs的發(fā)展。

針對上述存在的問題，結(jié)合準分子激光光子能量高、單脈沖能量大、脈沖時間短、光斑面積大且能量分布均勻和熱效應(yīng)小等特點，該課題組將準分子激光技術(shù)引入PSCs研究中，通過準分子激光輻照有效降低了鈣鈦礦薄膜的表面缺陷濃度，實現(xiàn)了電子傳輸層的低溫準分子激光退火。

該課題組副研究員王時茂和博士生單雪燕等使用248nm（KrF）準分子激光輻照CH3NH3PbI3薄膜對其進行表面改性。改性后的CH3NH3PbI3薄膜缺陷濃度從1.61×1016cm-3降至5.81×1015cm-3，瞬態(tài)熒光壽命測試表明光照下薄膜中光生載流子的非輻射復(fù)合得到了有效抑制，電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到了明顯提升。相關(guān)研究成果以《采用248nm KrF準分子激光對CH3NH3PbI3薄膜進行快速表面改性增強鈣鈦礦太陽電池性能》為題發(fā)表于Advanced Materials 雜志子刊Solar RRL上。

該課題組副研究員董偉偉和博士生夏銳等首次將準分子激光退火（Excimer laser annealing, ELA）技術(shù)應(yīng)用到PSCs電子傳輸層的制備中，使用308 nm（XeCl）準分子激光對磁控濺射制備的鎵摻雜的氧化鋅（GZO）電子傳輸層進行退火處理。ELA處理后，GZO薄膜的結(jié)晶性、透過率和電導(dǎo)率，以及基于其的PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性得到了顯著提升。相關(guān)成果以《鈣鈦礦太陽電池Ga摻雜ZnO電子傳輸層的準分子激光退火》為題發(fā)表于RSC Advances上。

上述兩項研究成果均與現(xiàn)有低溫多晶硅退火技術(shù)兼容，可望應(yīng)用于未來商業(yè)化硬質(zhì)和柔性PSCs的生產(chǎn)。

上述研究得到國家自然科學(xué)基金、中科院百人計劃、中科院-日本學(xué)術(shù)振興會（CAS-JSPS）聯(lián)合項目和中科院光伏與節(jié)能材料重點實驗室的支持。

圖1 準分子激光對CH3NH3PbI3薄膜表面進行處理時的光路示意圖；（b, c）基于FTO/CH3NH3PbI3（準分子激光處理前后）/Au結(jié)構(gòu)的電壓電流曲線圖，用于計算準分子激光處理前后CH3NH3PbI3薄膜缺陷濃度；（d）準分子激光處理前后CH3NH3PbI3薄膜的瞬態(tài)熒光壽命譜；（e）基于準分子激光處理前后的CH3NH3PbI3薄膜的PSCs的J-V曲線及電池性能。