构筑新型太阳能电池 突破单结太阳能电池限制——华中科技大学王鸣魁教授

2019-05-06

太阳能电池发电是解决目前能源问题，促进社会经济及环境健康发展的重要途径之一。有机无机杂化钙钛矿太阳能电池因具有较长的载流子扩散长度、极高的电荷迁移率、理想的禁带宽度等优点，而备受学术界、工业界关注。钙钛矿太阳能电池等纳米结构太阳能电池采用高比表面积纳米结构材料，可降低材料使用量，突破单结太阳能电池器件S-Q效应限制。钙钛矿太阳能电池是非常有前景的新型光伏技术，器件具有界面多的特点。界面电荷传递过程发生在纳秒到微秒范围内，因此纳米结构电池中“界面即器件”。

华中科技大学王鸣魁教授团队立足于武汉光电国家研究中心的发展战略，紧密依托华中科技大学“光学工程”国家重点学科，借助和依靠国家研究中心创新研究平台，进行“纳米光电化学”方向研究。团队围绕纳米晶半导体界面电荷传输的核心科学问题，在电荷传输模型与器件物理机理、研究方法与仪器以及电池关键材料等方面展开了器件新结构、物理和表征方法等创新性研究，实现高性能纳米结构太阳能电池的研制，对实现高效率太阳能电池以及大面积新型太阳能电池的研制作出了重要贡献。相关研究成果荣获2016年度湖北省自然科学奖二等奖（新型太阳能电池界面电荷传输过程调控与动力学机理）、2018年度高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖（高效钙钛矿太阳能电池的构筑与工作机理研究）等。

1　揭示钙钛矿太阳能电池器件工作机制

王鸣魁教授系统研究钙钛矿太阳能电池中界面电荷传输行为，提出了降低电池界面电荷积累提升电池性能的有效方法；阐明了器件电荷传输特性与材料相变化规律；在钙钛矿太阳能电池研究领域较早明确器件输出电压和载流子输运关系。团队在领域中率先明确离子迁移对钙钛矿太阳能电池的影响，通过实验手段获取了钙钛矿低的激子束缚能，从而明晰了有机卤化铅钙钛矿激子自由分离物理过程。

研究揭示了钙钛矿/选择性电极界面电荷积累对电池性能的影响规律，提出了界面复合过程的微观机制，对新型钙钛矿太阳能器件设计和研究具有重要指导作用。

2　新型电子传输层提升钙纳米结构太阳能电池性能

王鸣魁教授系统研究电子传输层对钙钛矿太阳能电池的影响，明确器件界面扩散-复合机制；首次引入功能有机电子传输层钝化钙钛矿表面缺陷态，实现光电转换效率>18%的钙钛矿器件；开发TiO₂+碳量子点、SnO₂+石墨烯量子点、SnO₂（F）双层结构新型复合电子传输层提高电子导电能力和促进能级匹配，实现效率>20%钙钛矿太阳能器件。

新型太阳能电池具有溶液加工、低温制备优势新型电子传输层，为界面修饰提供可调控的化学环境，符合大面积、低成本、稳定钙钛矿太阳能电池发展要求。

3　构筑了全无机氧化物框架钙钛矿太阳能电池

依据空间电荷区有利于电荷漂移的科学原理，王鸣魁教授提出一种全无机氧化物框架结构新型钙钛矿太阳能电池。该类型器件中无机氧化物扮演电荷传输层角色的同时构筑n-i-p异质结，增大耗尽层物理宽度，可以有效提升光生电荷的收集效率。在钙钛矿太阳能电池中引入全无机电荷传输层也有利于器件大面积制备、器件稳定性。通过优化n-i-p框架中氧化物纳米颗粒大小、薄膜层厚度以及钙钛矿的制作工艺，实现了光电转换效率17%的大面积电池器件，85度1 000小时后器件效率衰减小于10%。

无机氧化物框架电池是一种理想钙钛矿太阳能电池器件结构，具有工业规模生产的潜力，可望能促进稳定和低成本钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

专家简介

王鸣魁，湖南邵阳人，华中科技大学教授，博士生导师，新世纪优秀人才，湖北省“楚天学者”特聘教授。他围绕纳米结构太阳能电池器件界面电荷传输过程，提出并实现高效、稳定无机氧化物框架钙钛矿太阳能电池。已发表SCI期刊论文180余篇，所发表论文引用超过1.3万余次，H指数50；自2015年连续4年入选爱思唯尔能源领域中国高被引学者榜单；2017年入选英国皇家化学学会士（FRSC）；目前任Scientific Reports、Frontier of optoelectronics等国际期刊编委，《中国光学》编委。