3D注入机制突破传统p-n结电荷分离机制，助力光伏全湿法低成本规模化制备

01导读

华中科技大学武汉光电国家研究中心韩宏伟教授团队在光伏器件全湿法低成本规模化制备上取得重大突破。研究显示，不同于传统p-n结器件光电转换动力学过程，介观钙钛矿太阳能电池电荷分离采用载流子3D注入机制，结合界面钝化，基于碳电极的无空穴传输层可印刷介观钙钛矿太阳能电池光电转化效率获得大幅提升，突破了全湿法制备光伏器件效率低的传统认知。

相关研究成果以“Electron injection and defect passivation for high-efficiency mesoporous perovskite solar cells”为题，于2024年3月14日发表在《Science》杂志。

02研究背景

为实现低成本光伏发电，基于固相晶锭切片工艺的晶硅电池、基于真空气相沉积工艺的薄膜电池以及基于湿法加工工艺的新兴太阳能电池先后被研制出来。其中，新兴太阳能电池可利用低成本的湿法涂膜设备进行简便加工，被认为是最有希望实现低成本制造的技术。然而，相较于晶硅或薄膜电池，新兴太阳能电池在光电转换效率和工作稳定性方面面临巨大挑战，其根本原因是湿法加工制备的薄膜本身处于非晶状态或结晶质量较差，其光生载流子寿命短且传输速度慢；同时存在“针孔”等形貌缺陷，不利于大尺寸组件的制备进而导致产品良品率低；此外，结晶质量不高的薄膜或薄膜材料本身如钙钛矿吸光层在光热电等作用下容易退化，导致载流子传输能力的进一步下降，从而带来器件性能的衰减。

为此，韩宏伟教授团队自主开发了可全湿法加工的可印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特点是在单一导电衬底上逐层印刷介孔二氧化钛层、介孔二氧化锆层及介孔碳电极层，之后填注钙钛矿材料到三层介孔膜结构中即完成器件的制备。2014年，团队在国际上首次报道了光照稳定的钙钛矿太阳能电池，研究成果“改变了人们对钙钛矿太阳能电池‘本质上不稳定’的看法” 【Science 345, 295 (2014)】；2018年，团队以研制的3600 cm2尺寸的可印刷介观钙钛矿太阳能模组组装了110平米实验性示范系统【Science 361, 1214 (2018）】，充分展示了该器件在成本控制、稳定性及大面积制备等方面的巨大优势。然而，依据传统p-n结理论，空穴传输层的缺失使得钙钛矿吸光材料与碳电极直接接触导致严重的复合，进而影响效率的提升。

03研究创新点

在本工作中，如图1所示，通过模拟仿真及载流子动力学测试，三层介孔膜结构器件展现了不同于传统p-n结电荷分离机制。在传统平面堆叠光伏器件中，光生载流子（空穴和电子）产生后在吸光层中长距离迁移，然后在空穴传输层（或电子传输层）界面被选择性提取，对应的电子传输层（或空穴传输层）起着阻挡异种载流子（空穴或电子）复合的作用，因此在传统太阳能电池中电子传输层及空穴传输层的存在是获取高光电转化效率的必要条件。而在三层介孔膜结构的可印刷介观太阳能电池中，吸光材料被局域在三维互穿网络结构的电子传输层纳米孔中，吸光材 料所产生的光生电子通过3D注入过程快速有效的注入到介观电子传输层中，电子和空穴分别在电子传输层和吸光材料层中传输。这种介孔膜中载流子3D注入过程解耦了充分吸收光所需的吸收层厚度与确保电荷充分收集所需的载流子扩散长度之间的矛盾，在电子传输层/钙钛矿界面，而不是在钙钛矿/碳界面的复合，是导致电压损失的主要原因，因此无空穴传输层的阻挡，三层介孔膜结构的可印刷介观钙钛矿太阳能电池也可获得超高的光电转化效率。为此，针对多孔电子传输层内表面氧空位缺陷带来的性能损失关键制约，利用由软路易斯酸阳离子与硬路易斯碱阴离子构成的盐钝化剂进行处理，促使氧空位电离释放所束缚的电子，有效钝化了氧空位，成功将可印刷介观钙钛矿太阳能电池效率提升至第三方认证的22.3%。与此同时，57.5 cm2微型模组开口面积效率达18.2%，模组中单条子电池的电压超过1.1伏（图2）。

图1. 基于p-MPSC及传统结构PSC器件模拟仿真得到的载流子迁移率和寿命与光电转换效率的关系，基于3D注入机制的p-MPSC在薄膜质量容忍度上有数量级的提升。

图2. 可印刷介观钙钛矿太阳能电池3D注入机制、动力学过程表征及器件性能

04总结与展望

该工作创新性的提出了载流子3D注入机制。下一步，通过对介观光电子学的深入研究，有望为基于全湿法工艺的下一代高性能光伏，乃至电致发光、光电探测器件的超低成本大面积制造提供可行方案和理论支撑。

华中科技大学为唯一通讯作者单位，华中科技大学刘佳乐、武汉万度光能研究院陈夏岩、华中科技大学陈开中、中科院大连化学物理研究所田文明为共同第一作者。华中科技大学韩宏伟教授、梅安意教授、凌福日副教授为共同通讯作者。该项研究工作得到了武汉万度光能研究院在器件制备、大连化学物理研究所金盛烨研究员团队、西安交通大学苏亚琼研究员团队、中国华电集团李小江研究员、李啸宇博士等在载流子动力学分析、第一性原理计算等方面的帮助；同时，该工作获得了国家自然科学基金集成项目、面上项目、青年科学基金项目以及中科院青年基础研究项目等项目支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adk9089