面對(duì)可再生能源需求，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池憑借低成本、高轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢(shì)成為下一代光伏技術(shù)研究熱點(diǎn)。近日，北京大學(xué)與英國(guó)薩里大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作論文在《先進(jìn)材料》刊發(fā)并引發(fā)業(yè)界廣泛關(guān)注。
“該成果為認(rèn)知鈣鈦礦埋底界面提供了高效研究平臺(tái)，為發(fā)展鈣鈦礦高效鈍化技術(shù)提供了新的研究思路，同時(shí)也為提升鈣鈦礦電池性能提供了先進(jìn)的理論指導(dǎo)。”論文通訊作者、中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)博雅講席教授龔旗煌告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
“這是首次對(duì)鈣鈦礦底界面性質(zhì)的全面深入研究，將更新整個(gè)領(lǐng)域?qū)Χ嗑р}鈦礦薄膜的理解，并推動(dòng)領(lǐng)域?qū)︹}鈦礦底界面性質(zhì)進(jìn)行充分挖掘探索。”提及論文貢獻(xiàn)，通訊作者、英國(guó)薩里大學(xué)教授張偉評(píng)價(jià)道。
攻關(guān)：打開埋底界面的“黑匣子”
高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池通常以鈣鈦礦多晶薄膜作為光活性層，而鈣鈦礦多晶薄膜上下兩個(gè)界面通常被認(rèn)為是缺陷富集區(qū)域，是限制鈣鈦礦光伏器件效率提升的主要因素。
在過去十多年的發(fā)展中，大量研究工作集中在鈣鈦礦薄膜上表面性質(zhì)及優(yōu)化上，對(duì)薄膜上表面的認(rèn)知也逐漸完善成熟；而對(duì)于隱埋的、非暴露的底界面則缺乏更加深入的認(rèn)識(shí)與理解。同時(shí)，對(duì)于溶液生長(zhǎng)的多晶鈣鈦礦化合物半導(dǎo)體薄膜，大量研究都是用薄膜上表/界面表征結(jié)果間接推斷底界面性質(zhì)，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性。
“相對(duì)于成熟的上表/界面研究，鈣鈦礦薄膜的埋底界面對(duì)廣大研究者來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)深埋的、沒有打開的‘黑匣子’。”論文通訊作者、北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所研究員朱瑞介紹了領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)鈣鈦礦底界面研究的滯后情況。
基于多年來(lái)對(duì)高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及鈣鈦礦多晶薄膜性質(zhì)積累的扎實(shí)研究基礎(chǔ)與豐富研究經(jīng)驗(yàn)，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合薩里大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)此難題展開攻關(guān)。他們首先通過“反溶劑犧牲聚合物傳輸層+金屬軟模板支撐”的方式將已沉積的鈣鈦礦多晶薄膜底界面暴露出來(lái)，借助系列表界面表征，首次真正“看清”了底部的細(xì)節(jié)。
該團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步發(fā)展了一種底面原位熒光成像技術(shù)，可視化發(fā)掘了薄膜底界面非輻射復(fù)合損失來(lái)源，并首次建立起底部“微結(jié)構(gòu)—光電性質(zhì)”關(guān)系，最終得到了一幅完整清晰的鈣鈦礦底界面物化圖像。
朱瑞表示，他們通過對(duì)鈣鈦礦光伏器件“埋底界面”開展系統(tǒng)深入研究，闡明了“埋底界面”中“微結(jié)構(gòu)—化學(xué)分布—光電功能”的科學(xué)關(guān)系，建立起鈣鈦礦光伏器件“埋底界面”可視化研究平臺(tái)，為鈣鈦礦多晶薄膜未來(lái)鈍化技術(shù)發(fā)展和鈍化分子設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。
剖析：“上下貫通”的表面鈍化
確定鈣鈦礦底界面損失來(lái)源，進(jìn)一步消除底界面損失從而改善整個(gè)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量，是制備高效率電池的必經(jīng)之路。
“2018年，我們聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過鹵化銨上表面鈍化技術(shù)創(chuàng)造了反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的世界紀(jì)錄。”朱瑞介紹說(shuō)，“基于對(duì)這項(xiàng)工作的深入理解，我們想嘗試一下，通過鹵化銨上表面鈍化技術(shù)，能否對(duì)鈣鈦礦薄膜底界面有改善作用。”
借助于系列底面研究技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)經(jīng)過鹵化銨上表面鈍化后的多晶薄膜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)上表面鈍化后的薄膜，其底界面的損失來(lái)源幾乎全部鈍化消失，呈現(xiàn)出一個(gè)非常“干凈”的底界面。
“上表面鈍化后，薄膜底界面竟然發(fā)生了明顯變化。”論文作者之一、北京大學(xué)博士研究生楊曉宇說(shuō)，“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與鹵化銨上表面鈍化的常規(guī)機(jī)理認(rèn)知有較大偏差，鈣鈦礦薄膜上表面的鈍化處理原來(lái)不僅僅只停留在上表面。”
研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)了時(shí)間分辨底面原位熒光成像實(shí)驗(yàn)，證明鹵化銨上表面處理后，溶劑與退火等作用導(dǎo)致鹵化銨分子從表面自上而下逐漸擴(kuò)散進(jìn)入鈣鈦礦多晶薄膜體相，并最終到達(dá)底界面，形成上下貫通的薄膜鈍化。該團(tuán)隊(duì)也將這一全新機(jī)理命名為“分子輔助微結(jié)構(gòu)重構(gòu)”，進(jìn)一步完善了對(duì)鹵化銨表面鈍化技術(shù)本質(zhì)及高效性的理解。
朱瑞認(rèn)為，“分子滲透現(xiàn)象進(jìn)一步反映了鈣鈦礦薄膜軟晶格的性質(zhì)，這一結(jié)論將進(jìn)一步為高效鈣鈦礦鈍化材料的設(shè)計(jì)提供靈感。”
展望：“底部大有可為”
早在1959年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上首次提出：“底部大有可為。”自此，納米領(lǐng)域研究開啟了飛速發(fā)展的模式。
談及未來(lái)鈣鈦礦光電器件的發(fā)展，龔旗煌說(shuō)：“我們同樣相信在鈣鈦礦光電器件領(lǐng)域，底界面研究大有可為。”他認(rèn)為，底界面還有更多秘密等待科學(xué)家發(fā)掘探索，這將是未來(lái)研制高效穩(wěn)定鈣鈦礦器件的重要發(fā)展方向之一。
然而，目前對(duì)于薄膜底界面的認(rèn)知仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于上表面，不同體系、制備方法的鈣鈦礦薄膜也可能存在不同底界面性質(zhì)，建立起一個(gè)成熟完善的底界面知識(shí)體系仍舊需要大量研究數(shù)據(jù)以及成熟的研究方法。
北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)自2013年開始，一直在高效鈣鈦礦光伏器件及薄膜表界面表征優(yōu)化方面進(jìn)行研究探索。
楊曉宇介紹，自2017年加入團(tuán)隊(duì)以來(lái)，就專注于鈣鈦礦底界面的研究與優(yōu)化。“在對(duì)底界面的研究中，還發(fā)現(xiàn)了很多新奇的、與傳統(tǒng)認(rèn)知不同的現(xiàn)象，這也促使我們不斷向更深層次的鈣鈦礦底界面性質(zhì)進(jìn)行探索。”談及未來(lái)的研究計(jì)劃，楊曉宇充滿信心。
“本研究工作僅是鈣鈦礦薄膜底界面研究的開端，希望基于我們提出的方法，能夠揭示更多鈣鈦礦薄膜‘埋藏的秘密’。”朱瑞希望，該工作能夠給更多領(lǐng)域內(nèi)外的研究者以啟發(fā)，發(fā)展更加先進(jìn)有效的底界面研究手段，促進(jìn)新型鈣鈦礦光伏技術(shù)基礎(chǔ)研究更加完善。
原標(biāo)題：揭開鈣鈦礦薄膜“埋藏的秘密”
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