Китайская научная группа впервые раскрыла ключевой физический «чёрный ящик», ограничивающий эффективность перовскитных солнечных батарей формальной структуры, и инновационно предложила дизайн электронно-транспортного слоя с непрерывным градиентным легированием. На основе этой стратегии солнечные элементы, сертифицированные международным авторитетным органом, достигли стабилизированной эффективности фотоэлектрического преобразования 27,17% и эффективности обратного сканирования 27,50%, установив рекорд максимальной эффективности фотоэлектрического преобразования для перовскитных фотоэлектрических устройств формальной структуры.
Данный результат исследования был достигнут группой под руководством профессора Юань Минцзяня и приглашённого исследователя Цзян Юаньчжи с химического факультета Нанькайского университета в сотрудничестве с группой исследователя Сюй Цзяня из Пекинского технологического института. Соответствующие результаты исследования были опубликованы онлайн в международном академическом журнале «Nature» 30 апреля по пекинскому времени.
Перовскитные солнечные батареи, сочетающие высокую эффективность и потенциал для масштабируемого производства, стали многообещающей технологией следующего поколения в фотовольтаике. В настоящее время высокоэффективные устройства обычно полагаются на подложки с микро-/нанотекстурой для усиления светозахвата, однако сложные границы раздела одновременно вносят значительные потери на безызлучательную рекомбинацию, что становится ключевым узким местом, ограничивающим повышение производительности устройств формальной структуры. Эффективность фотоэлектрического преобразования устройств формальной структуры долгое время оставалась на уровне около 26%, а глубинный физический механизм оставался неясным.
Столкнувшись с вышеуказанной проблемой, исследовательская группа впервые показала, что на текстурированной подложке на скрытой границе раздела между электронно-транспортным слоем из оксида олова и перовскитом существует синергетический эффект рассогласования энергетических зон и накопления электронов, что и является основной физической причиной усиления потерь на безызлучательную рекомбинацию и длительного сдерживания производительности устройств.
Чтобы решить эту проблему, необходимо было точно контролировать электрические свойства электронно-транспортного слоя из оксида олова в самом его источнике. Исследовательская группа разработала электронно-транспортный слой из оксида олова с градиентной энергетической зонной структурой, который устранил рассогласование энергетических зон, способствовал экстракции электронов и эффективно подавил потери на безызлучательную рекомбинацию.
Юань Минцзянь отметил, что перовскитные солнечные батареи с этим новым электронно-транспортным слоем не только побили рекорд эффективности, но и продемонстрировали потери напряжения холостого хода всего 295 милливольт, что убедительно доказывает фундаментальное подавление безызлучательной рекомбинации. Данное исследование систематически рассеяло на механистическом уровне туман неопределённости, долгое время окутывавший производительность устройств формальной структуры, а также открыло универсальный и эффективный новый путь для рационального дизайна электронно-транспортных слоёв из оксидов металлов, что, как ожидается, обеспечит технологическую поддержку для создания высокостабильных, пригодных для масштабного производства перовскитных фотоэлектрических модулей.