中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授徐集賢團(tuán)隊(duì)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(yán)格的模型仿真和實(shí)驗(yàn)給出了PIC方案的設(shè)計(jì)原理和概念驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了p-i-n反式結(jié)構(gòu)器件穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率的世界紀(jì)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(xué)》。

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(jìn)行傳輸，同時(shí)減少接觸面積。

研究團(tuán)隊(duì)的半導(dǎo)體器件建模計(jì)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(jì)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(kuò)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了這種納米結(jié)構(gòu)的制備。

此外，研究團(tuán)隊(duì)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(yàn)證，首次實(shí)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(jìn)一步在不同的器件結(jié)構(gòu)和界面中推廣拓展;同時(shí)目前實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的PIC覆蓋面積還遠(yuǎn)未達(dá)到其設(shè)計(jì)潛力，可進(jìn)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