打開鈣鈦礦光伏器件埋底界面的“黑匣子”

  面對可再生能源需求，鈣鈦礦太陽能電池憑借其低成本、高轉換效率的優勢成為下一代光伏技術的研究熱點。近日，北京大學與英國薩里大學團隊合作論文在《先進材料》刊發并引發業界廣泛關注。

“該成果為認知鈣鈦礦埋底界面提供了高效的研究平臺，為發展鈣鈦礦高效鈍化技術提供了新的研究思路，同時也為提升鈣鈦礦電池性能提供了先進的理論指導。”論文通訊作者、中國科學院院士、北京大學博雅講席教授龔旗煌告訴《中國科學報》。

成果論文題為“鈣鈦礦光伏的埋底界面”。 提及論文的貢獻，通訊作者、英國薩里大學團隊帶頭人張偉教授表示：“這是首次對鈣鈦礦底界面性質的全面深入研究，這將更新整個領域對多晶鈣鈦礦薄膜的理解，并推動領域對鈣鈦礦底界面性質進行充分的挖掘探索。”

攻關：打開埋底界面的“黑匣子”

高效率的鈣鈦礦太陽能電池通常以鈣鈦礦的多晶薄膜作為光活性層，而鈣鈦礦多晶薄膜的上下兩個界面通常被認為是缺陷富集的區域，是限制鈣鈦礦光伏器件效率提升的主要因素。

在過去十多年的發展中，大量研究工作集中在鈣鈦礦薄膜上表面的性質及優化，對薄膜上表面的認知也逐漸完善成熟；而對于被隱埋的、非暴露的底界面則缺乏更加深入的認識與理解。

同時，對于溶液生長的多晶鈣鈦礦化合物半導體薄膜，大量研究都是通過對薄膜上表/界面的表征結果來間接推斷底界面性質，缺乏嚴謹的科學性。

“相對于成熟的上表/界面研究，鈣鈦礦薄膜的埋底界面對廣大研究者來說仍然是一個被深埋的、沒有被打開的‘黑匣子’。”本文通訊作者、北京大學團隊帶頭人朱瑞研究員介紹了領域內對于鈣鈦礦底界面研究的滯后情況。

基于多年來對高性能鈣鈦礦太陽能電池及鈣鈦礦多晶薄膜性質研究積累的扎實研究基礎與豐富研究經驗，北京大學團隊聯合英國薩里大學團隊對此難題進行攻關。

研究首先通過“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，借助系列表界面表征，真正首次“看清”了底部的細節。

團隊進一步發展了一種底面原位熒光成像技術，可視化地發掘了薄膜底界面的非輻射復合損失來源，并首次建立起底部的“微結構—光電性質”關系，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，論文對鈣鈦礦光伏器件的“埋底界面”開展系統深入研究，闡明了“埋底界面”中“微結構-化學分布-光電功能”的科學關系，建立起鈣鈦礦光伏器件“埋底界面”的可視化研究平臺，為鈣鈦礦多晶薄膜的未來鈍化技術發展和鈍化分子設計提供了指導。

剖析：“上下貫通”的表面鈍化

確定鈣鈦礦底界面損失的來源，進一步消除底界面的損失從而改善整個鈣鈦礦薄膜的質量，是實現高效率電池的必經之路。

“2018年我們聯合團隊通過鹵化銨上表面鈍化技術實現了反式結構鈣鈦礦太陽能電池的世界效率記錄。”朱瑞介紹說，“基于對這項工作的深入理解，我們想嘗試一下，通過鹵化銨上表面鈍化技術，能否對鈣鈦礦薄膜的底界面有改善作用。”

在借助系列底面研究技術的幫助下，團隊進一步對經過鹵化銨上表面鈍化后的多晶薄膜進行分析發現：上表面鈍化后的薄膜，其底界面的損失來源幾乎全部被鈍化消失，呈現出了一個非常“干凈”的底界面。

“上表面鈍化后，薄膜的底界面竟然發生了明顯變化。”本文作者之一、北京大學博士研究生楊曉宇說，“我們的實驗結果與鹵化銨上表面鈍化的常規機理認知有較大偏差，鈣鈦礦薄膜上表面的鈍化處理原來不僅僅是停留在上表面。”

團隊進一步設計了時間分辨底面原位熒光成像實驗證明：鹵化銨上表面處理后，溶劑與退火等作用導致鹵化銨分子從表面自上而下逐漸擴散進入鈣鈦礦多晶薄膜體相，并最終到達底界面，形成上下貫通的薄膜鈍化。團隊也將這一全新的機理命名為“分子輔助微結構重構”，進一步完善了對鹵化銨表面鈍化技術本質及其高效性的理解。

朱瑞認為，“分子滲透的現象也進一步反映了鈣鈦礦薄膜軟晶格的性質，這一結論將進一步為高效鈣鈦礦鈍化材料的設計提供靈感。”

展望：“底部大有可為”

早在1959年，諾貝爾物理學獎得主、理論物理學家理查德·費曼在美國物理學會上首次提出：“底部大有可為。”自此，納米領域研究開啟了飛速發展的模式。

談及未來鈣鈦礦光電器件的發展，龔旗煌說：“我們同樣相信在鈣鈦礦光電器件領域，底界面研究大有可為。”他認為，底界面還有更多的“秘密”等待我們發掘探索，這將是未來實現高效穩定鈣鈦礦器件的重要發展方向之一。

然而，目前對于薄膜底界面的認知仍遠遠落后于上表面，不同體系、不同制備方法的鈣鈦礦薄膜也可能存在不同的底界面性質，建立起一個成熟完善的底界面知識體系仍舊需要大量研究數據以及成熟的研究方法。

北京大學團隊自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化方面進行研究探索。

楊曉宇介紹說，自他2017年加入團隊以來，就專注于鈣鈦礦底界面的研究與優化。“在對底界面的研究中，我們還發現了很多新奇的、與傳統認知不同的現象，這也促使我們不斷向更深層次的鈣鈦礦底界面性質進行探索。”談及未來的研究計劃，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，我們希望基于我們提出的方法，能夠揭示出更多鈣鈦礦薄膜中‘埋藏的秘密’。”朱瑞表示。

他希望本項工作能夠給更多領域內外的研究者們以啟發，發展更加先進有效的底界面研究手段，促進新型鈣鈦礦光伏技術基礎研究更加完善。