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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授徐集賢團(tuán)隊(duì)與合作者，針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池中長(zhǎng)期普遍存在的“鈍化-傳輸”矛盾問(wèn)題，提出了命名為PIC(porous insulator contact，多孔絕緣接觸)的新型結(jié)構(gòu)和突破方案，基于嚴(yán)格的模型仿真和實(shí)驗(yàn)給出了PIC方案的設(shè)計(jì)原理和概念驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了p-i-n反式結(jié)構(gòu)器件穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率的世界紀(jì)錄，并在多種基底和鈣鈦礦組分中展現(xiàn)了普遍的適用性。2月17日，相關(guān)研究成果以《通過(guò)一種多孔絕緣接觸減少鈣鈦礦太陽(yáng)電池中的非輻射復(fù)合》(Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact)為題，發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。

科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期思考和大量實(shí)驗(yàn)探索，提煉出這種PIC接觸結(jié)構(gòu)方案。該研究的主要思想是不依賴傳統(tǒng)納米級(jí)鈍化層和遂穿傳輸，而直接使用百納米級(jí)厚度的多孔絕緣層，迫使載流子通過(guò)局部開(kāi)孔區(qū)域進(jìn)行傳輸，同時(shí)降低接觸面積。研究團(tuán)隊(duì)的半導(dǎo)體器件建模計(jì)算揭示了這種PIC結(jié)構(gòu)周期應(yīng)與鈣鈦礦載流子傳輸長(zhǎng)度匹配的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原理。PIC方案與晶硅太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的局部接觸技術(shù)有異曲同工之妙，然而，不同的是，鈣鈦礦中的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度較單晶硅要短很多，從毫米級(jí)別大幅減小到微米甚至更短，這要求PIC的尺寸和結(jié)構(gòu)周期要在百納米級(jí)別。傳統(tǒng)的晶硅局部接觸工藝不能直接滿足這種精度要求，而使用高精度微納加工技術(shù)在制備面積和成本方面存在不足。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，科研人員巧妙地利用納米片的尺寸效應(yīng)，通過(guò)PIC生長(zhǎng)方式從常規(guī)“層+島”(Stranski-Krastanov)模式向“島狀”(Volmer-Weber)模式的轉(zhuǎn)變，采用低溫低成本的溶液法實(shí)現(xiàn)了這種納米結(jié)構(gòu)的制備。

研究在疊層器件中廣泛使用的p-i-n反式結(jié)構(gòu)中開(kāi)展了PIC方案的驗(yàn)證，首次實(shí)現(xiàn)了空穴界面復(fù)合速度從~60cm/s下降至10cm/s以及25.5%的單結(jié)最高效率(p-i-n結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率紀(jì)錄24.7%)。這種性能的大幅改善在多種帶隙和組分的鈣鈦礦中均普遍存在，展現(xiàn)了PIC廣闊的應(yīng)用前景。另外，PIC結(jié)構(gòu)在多種疏水性基底均實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦成膜覆蓋率和結(jié)晶質(zhì)量的提高(載流子體相壽命大幅提升)，對(duì)于大面積擴(kuò)大化制備頗有意義。

原標(biāo)題：中國(guó)科大提出鈣鈦礦太陽(yáng)電池新結(jié)構(gòu)方案