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準分子激光技術提升鈣鈦礦太陽電池性能

發布時間：2019-05-17 來源：元祿光電

中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所激光技術中心研究員方曉東課題組在利用準分子激光技術提升鈣鈦礦太陽電池（Perovskite solar cells，以下簡稱PSCs）性能研究方面取得新進展。

PSCs自2009年被首次報道以來發展迅速，目前其光電轉換效率已超越多晶硅太陽電池，達到了24.2%，極具應用前景。PSCs的光吸收層有機無機雜化鈣鈦礦薄膜通常采用溶液方法在低溫（＜150℃）下制備，既可構筑剛性太陽電池又具有發展柔性太陽電池的天然優勢。但溶液方法制備的鈣鈦礦薄膜表面會存在大量的缺陷，造成光生載流子的復合，阻礙電池性能的進一步提高。同時，目前PSCs常用電子傳輸層的制備過程需要在400~500℃的溫度下退火晶化，而此溫度超過了常用柔性基底能夠承受的溫度，制約了柔性PSCs的發展。

針對上述存在的問題，結合準分子激光光子能量高、單脈沖能量大、脈沖時間短、光斑面積大且能量分布均勻和熱效應小等特點，該課題組將準分子激光技術引入PSCs研究中，通過準分子激光輻照有效降低了鈣鈦礦薄膜的表面缺陷濃度，實現了電子傳輸層的低溫準分子激光退火。

該課題組副研究員王時茂和博士生單雪燕等使用248nm（KrF）準分子激光輻照CH3NH3PbI3薄膜對其進行表面改性。改性后的CH3NH3PbI3薄膜缺陷濃度從1.61×1016cm-3降至5.81×1015cm-3，瞬態熒光壽命測試表明光照下薄膜中光生載流子的非輻射復合得到了有效抑制，電池的光電轉換效率也得到了明顯提升。相關研究成果以《采用248nm KrF準分子激光對CH3NH3PbI3薄膜進行快速表面改性增強鈣鈦礦太陽電池性能》為題發表于Advanced Materials 雜志子刊Solar RRL上。

該課題組副研究員董偉偉和博士生夏銳等首次將準分子激光退火（Excimer laser annealing, ELA）技術應用到PSCs電子傳輸層的制備中，使用308 nm（XeCl）準分子激光對磁控濺射制備的鎵摻雜的氧化鋅（GZO）電子傳輸層進行退火處理。ELA處理后，GZO薄膜的結晶性、透過率和電導率，以及基于其的PSCs的光電轉換效率和穩定性得到了顯著提升。相關成果以《鈣鈦礦太陽電池Ga摻雜ZnO電子傳輸層的準分子激光退火》為題發表于RSC Advances上。

上述兩項研究成果均與現有低溫多晶硅退火技術兼容，可望應用于未來商業化硬質和柔性PSCs的生產。

上述研究得到國家自然科學基金、中科院百人計劃、中科院-日本學術振興會（CAS-JSPS）聯合項目和中科院光伏與節能材料重點實驗室的支持。

圖1 準分子激光對CH3NH3PbI3薄膜表面進行處理時的光路示意圖；（b, c）基于FTO/CH3NH3PbI3（準分子激光處理前后）/Au結構的電壓電流曲線圖，用于計算準分子激光處理前后CH3NH3PbI3薄膜缺陷濃度；（d）準分子激光處理前后CH3NH3PbI3薄膜的瞬態熒光壽命譜；（e）基于準分子激光處理前后的CH3NH3PbI3薄膜的PSCs的J-V曲線及電池性能。