杨化桂:新型太阳能电池关键材料研究进展

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华东理工大学材料学院在新型钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展，国际权威学术期刊Advanced Materials（IF：21.950）以“A Gradient Heterostructure Based on Tolerance Factor in High-Performance Perovskite Solar Cells with 0.84 Fill Factor”为题，在线报道了相关研究成果（Adv. Mater., 2018, 1804217）。

图片说明：原子尺度调控杂质离子在钙钛矿电池的空间分布及光电转换效率图

太阳能的高效转换和利用受到世界各国研究人员的高度重视。钙钛矿太阳电池是一种具有颠覆意义的新型光伏技术，具有低成本、高效率（目前国际认证效率23.3%）、可液相制备等特点和优势。2017年，基于在钙钛矿太阳电池领域的突出贡献，国际知名学者Tsutomu Miyasaka、Nam-Gyu Park和Henry J. Snaith共同获得Clarivate Analytics的引用桂冠。然而，钙钛矿太阳电池大多由多晶薄膜组成，其晶界处及钙钛矿薄膜与传输层之间存在大量的缺陷，抑制载流子分离和传输，严重制约了光电转换效率的进一步提升。

针对这一关键科学问题，该研究工作首先澄清了不同异质金属离子的半径和价态对其在钙钛矿体相中分布特点和及其对器件光电转换效率的影响，发现了杂质离子体相自发梯度分布的独特现象，成功实现了Sb 3 和In 3 两种n型三价离子在晶体表面自发富集和器件中的梯度分布，从而开发了自发梯度掺杂的钙钛矿太阳电池器件模型。通过自发梯度掺杂修饰的钙钛矿太阳能电池光电转换效率提升了36%，最高光电转换效率为21.04%，填充因子高达0.84。此外，这种自发梯度掺杂策略也为控制半导体材料载流子分离和传输，提高钙钛矿二极管质量和性能提供了新思路。

该工作主要由材料学院博士研究生乔红伟在侯宇副教授和杨化桂教授的指导下完成。该研究成果得到了国家杰出青年科学基金、中国科协“青年人才托举工程”、上海市浦江人才计划、上海市晨光计划等项目的资助和支持。