記者2日從中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院獲悉，該院固體物理研究所潘旭研究員和田興友研究員團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外科研工作者合作，首次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦陽(yáng)離子面外分布不均勻是影響電池性能的主要原因，并通過(guò)設(shè)計(jì)添加劑均勻化鈣鈦礦薄膜相分布，獲得了26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。11月2日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然》雜志。
近年來(lái)，鈣鈦礦電池效率的提升速度明顯放緩，相關(guān)研究遇到了“瓶頸”。深入研究陽(yáng)離子面外方向分布，不但有助于理解鈣鈦礦體相載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程，更有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)電池效率的進(jìn)一步提升。但是鈣鈦礦體相的不同陽(yáng)離子組分分布以及影響電池穩(wěn)定性和效率損失的原因目前尚不清楚。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鈣鈦礦薄膜晶相分布進(jìn)行了深度剖析，通過(guò)掠入射X射線衍射與薄膜截面的透射電鏡分析，證明了在薄膜底部存在面間距較小的晶相，并且在薄膜底部顯示出與富Cs鈣鈦礦相關(guān)的特征信號(hào)。這些實(shí)驗(yàn)充分說(shuō)明，陽(yáng)離子面外方向的梯度不均勻分布。這也是首次可視化驗(yàn)證了鈣鈦礦薄膜的陽(yáng)離子組分在面外不均勻分布。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了這種梯度不均勻分布的原因，發(fā)現(xiàn)不同陽(yáng)離子在結(jié)晶及相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的速率差過(guò)大是導(dǎo)致組分不均勻的主要原因。進(jìn)而，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備出均勻化的鈣鈦礦薄膜。這種陽(yáng)離子組分均勻分布的鈣鈦礦薄膜極大程度上提升了載流子壽命及擴(kuò)散長(zhǎng)度，加強(qiáng)了載流子界面抽取。利用上述策略制備的反式鈣鈦礦太陽(yáng)電池獲得了26.1%的最高效率，認(rèn)證效率為25.8%。此外，經(jīng)2500小時(shí)最大功率電追蹤后仍保持了可靠運(yùn)行穩(wěn)定性。
該研究成果在獲得優(yōu)異電池性能的同時(shí)，開(kāi)辟了提升電池器件穩(wěn)定性的新途徑，有望打破鈣鈦礦太陽(yáng)電池的效率瓶頸，為進(jìn)一步提升高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)電池提供了明確的方向。(記者吳長(zhǎng)鋒)
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