北京大学、萨里大学合作发表综述论文

来源：两江科技评论

原标题：北京大学、萨里大学合作在Nature Reviews Materials发表综述论文

 近日，北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”朱瑞研究员、龚旗煌院士与英国萨里大学张伟教授合作，在国际顶尖学术期刊《Nature Reviews Materials》（影响因子IF=74.45）上发表题为“Minimizing non-radiative recombination losses in perovskite solar cells”的综述论文，深入探讨和总结了钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合能量损失问题，并对最大化降低非辐射复合损失提出了建议和展望。

近年来，钙钛矿太阳能电池因其快速增长的光电转换效率和逐步提升的器件稳定性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，为光伏领域带来了新的机遇。然而，非辐射复合损失的存在使得目前的光电转换效率仍低于肖克利-奎塞尔（Shockley-Queisser）理论所定义的极限。因此，最大化降低钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失是进一步提升电池效率的未来研究重点。综述介绍了钙钛矿太阳能电池中非辐射复合的起源，详细讨论了非辐射复合损失的定量化测试方法；系统总结了在降低非辐射复合损失方面的最近研究进展；并依据肖克利-奎塞尔理论，对钙钛矿太阳能电池所能获得的最高光电转换效率进行了科学预测；最后，前瞻性地指出了最大化降低非辐射复合损失的未来努力方向。

图1. 金属卤化物钙钛矿活性层内的电荷载流子产生与复合动力学机制

不考虑包含反射损耗、寄生吸收等在内的光学损失，理想的金属卤化物钙钛矿半导体材料可以有效的收集入射光子并将其转换为自由载流子，考虑经过热化和冷却后的热载流子，最终所有处于基态的光生电子和空穴将通过发射光子的方式复合（即：辐射复合）。然而，实际的钙钛矿太阳能电池中存在大量的非辐射复合通道，包括固有的缺陷辅助复合，俄歇复合，界面诱导复合，带尾态复合及电声耦合等（如图1所示），绝大多数光生载流子会优先通过这些非辐射途径复合，极大降低电池在稳态下的光生载流子浓度，从而减小金属卤化物钙钛矿层中准费米能级劈裂的能级差，最终造成较大的电压损失。

针对上述非辐射复合通道，综述首先介绍了通过量化电压损失分析非辐射复合损失的常规测试技术以及测试要点。量化电压损失的首要挑战来源于对钙钛矿半导体带隙的准确评估。对于大量缺陷存在或膜厚变化的情况，采用相应的方法可实现对于带隙的准确测定。光致发光量子产率（PLQY）和外部辐射效率（ERE）被广泛应用于量化薄膜和完整器件的非辐射复合损失（如图2所示）。通常，荧光量子产率取决于钙钛矿薄膜的质量，电荷提取层的能级位置以及传输层引入的新的复合途径。而由于准费米能级空间分布的差异，完整器件中的外部辐射效率会低于钙钛矿薄膜的荧光量子产率。同时，完整器件中更高的再吸收与较低的光输出耦合效率也是外部辐射效率较低的来源。因而，精确评估完整器件中非辐射复合损失的可行策略是将外部辐射效率与测得的荧光量子产率进行比较。此外，对于完整器件中造成损失的非辐射复合中心的能量深度，连同其空间分布的变化，该综述也给出了可靠的定量测试方法，有助于确定其类型及主要来源。

图2. 量化钙钛矿薄膜和完整器件中非辐射复合损失的表征技术

随后，结合当前研究现状，综述进一步梳理了近年来在降低非辐射复合损失方面取得的一系列重要进展。通过钙钛矿结晶的调控，缺陷钝化，界面工程以及渐变结的形成，在得到高质量、少缺陷的钙钛矿薄膜的基础上，获得更好的能级排列，促进载流子提取，减少界面处载流子的复合。值得一提的是，该研究团队去年在《Science》杂志上报道的基于溶液二次生长方法构建渐变结的策略（如图3所示），在降低反式钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失方面效果显著（Science 360, 1442-1446）。此后，一系列研究报道显示，相似的策略在正式常规结构钙钛矿太阳能电池和全无机钙钛矿太阳能电池中也可以获得正向的实验结果。由此说明，在金属卤化物钙钛矿半导体材料中构建有效的渐变结对后续降低非辐射复合损失具有非常重要的借鉴价值。

图3. 渐变结钙钛矿太阳能电池器件结构和渐变结的时间分辨光谱

此外，综述也指出，对于实际的钙钛矿太阳能电池，不完整的光子收集和光学损耗限制了短路电流的提升，而不理想的开路电压和填充因子则表明非辐射复合损失和电阻损耗的存在。因而，协同最优化光子俘获和最小化非辐射复合损失将是克服当前效率限制并推动其接近理论极限的有效手段。基于此，假设已实现有效的光学管理，并参照当前最高效率的砷化镓太阳能电池的电压损失，依据肖克利-奎塞尔理论，该综述也对钙钛矿太阳能电池所能实现的性能参数进行了科学预测，进而给出了电池器件所能达到的最高光电转换效率，如图4所示。

图4. 单结钙钛矿太阳能电池可实现的最优器件性能参数预测

与此同时，最大程度降低非辐射复合损失的难点和挑战一直存在，例如，对界面处缺陷捕获行为和能级排列的理解及评估，无缺陷晶体的先进处理技术的构建，全类型缺陷钝化过程的机理研究和潜在目标筛选，以及基于缺陷有效钝化与渐变结精确调控需求的靶向新材料开发等，这些都是未来需要努力的方向。

总体而言，该综述为最大程度降低钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失提供了理论总结，也为开展实验工作提供了参考借鉴，对进一步提升电池效率，推动该类电池产业化应用有着重要意义。

该综述论文的第一作者/共同第一作者为朱瑞研究员课题组罗德映博士（已毕业）和博士研究生苏睿，北京大学朱瑞研究员和萨里大学张伟教授为通讯作者，北京大学和萨里大学为通讯单位。该工作得到得到了科技部、国家自然科学基金委、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、极端光学协同创新中心、“2011计划”量子物质科学协同创新中心、英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）等单位的支持。