近日，北京大學物理學院「極端光學創新研究團隊」朱瑞研究員、龔旗煌院士與英國薩裡大學張偉教授合作，在全球頂級期刊Nature Reviews Materials（影響因子IF=74.45）上發表題為「Minimizing non-radiative recombination losses in perovskite solar cells」的綜述文章，深入探討和總結了鈣鈦礦太陽能電池中的非輻射複合能量損失問題，並對最大化降低非輻射複合損失提出了建議和展望。
鈣鈦礦太陽能電池製備工藝簡單，成本低廉。近年來，該類太陽能電池因其快速增長的光電轉換效率和逐步提升的器件穩定性，吸引了學術界和產業界的廣泛關注，為光伏領域帶來了新的機遇。然而，由於鈣鈦礦太陽能電池中存在非輻射複合損失，所以目前的光電轉換效率依然低於肖克利-奎塞爾（Shockley-Queisser）理論所定義的極限效率。因此，最大化降低鈣鈦礦太陽能電池的非輻射複合損失是進一步提升電池器件效率的未來研究重點。
鑑於此，研究團隊基於已有的研究基礎，對「最大化降低鈣鈦礦太陽能電池的非輻射複合損失」這一論題進行深入探討和系統總結。該綜述文章主要包括以下幾個方面：首先，介紹了鈣鈦礦太陽能電池中非輻射複合的起源，並詳細討論了非輻射複合損失的定量化測試方法；其次，系統總結了在降低非輻射複合損失方面的最近研究進展；再次，依據肖克利-奎塞爾理論，對鈣鈦礦太陽能電池所能夠獲得的最高光電轉換效率進行了科學預測；最後，在展望部分，前瞻性地指出了最大化降低非輻射複合損失的未來努力方向。
圖1.金屬滷化物鈣鈦礦活性層內的電荷載流子產生與複合動力學機制
在理想的金屬滷化物鈣鈦礦半導體材料中，所有的光生電子和空穴最終將通過發射光子的方式進行複合（即：輻射複合）。然而，在實際的鈣鈦礦太陽能電池中存在大量的非輻射複合通道（如圖1所示），絕大部分光生載流子將優先通過其他非輻射途徑進行複合（例如，缺陷輔助複合，俄歇複合，界面誘導複合，電聲耦合，帶尾態複合等）。這些非輻射複合損失過程極大降低了電池在穩態下的光生載流子濃度，從而減小了金屬滷化物鈣鈦礦層中準費米能級劈裂的能級差，最終造成鈣鈦礦太陽能電池較大的電壓損失。因此，最大化降低或抑制這些非輻射複合通道是提升器件開路電壓和光電轉換效率的關鍵。
針對各種非輻射複合通道，該綜述首先介紹了目前量化分析非輻射複合損失的常規測試技術以及測試要點（如圖2所示）。
圖2.量化鈣鈦礦薄膜和完整器件中非輻射複合損失的表徵技術
隨後，結合當前研究現狀，進一步梳理了近年來在降低非輻射複合損失方面取得的一系列重要進展。值得一提的是，該研究團隊去年在Science雜誌上報導的基於溶液二次生長方法構建漸變結的策略（如圖3所示），在降低反式鈣鈦礦太陽能電池的非輻射複合損失方面效果顯著（Science360, 1442-1446）。此後，一系列研究報導顯示，相似的策略在正式常規結構鈣鈦礦太陽能電池和全無機鈣鈦礦太陽能電池中也可以獲得正向的實驗結果。由此說明，在金屬滷化物鈣鈦礦半導體材料中構建有效的漸變結對後續降低非輻射複合損失具有非常重要的借鑑價值。
圖3. 漸變結鈣鈦礦太陽能電池器件結構和漸變結的時間分辨光譜
此外，該綜述還以當前最高效率的砷化鎵太陽能電池為參照，先假定鈣鈦礦太陽能電池的非輻射複合損失與砷化鎵太陽能電池的情形一致，再依據肖克利-奎塞爾理論，對鈣鈦礦太陽能電池所能夠獲得的性能參數進行科學預測，進而給出電池器件所能達到的最高光電轉換效率（如圖4所示）。
圖4.當鈣鈦礦太陽能電池的非輻射複合損失與當前最高效率砷化鎵太陽能電池的情況相同時，單結鈣鈦礦太陽能電池可實現的最優器件性能參數
最後，該綜述也指出，目前提升器件性能的兩條主要途徑是最優化光子俘獲和最大化降低非輻射複合損失。如果能將二者進行有效整合，探索更可靠的協同優化策略，這可能會是將器件光電轉換效率提升至接近理論極限的可行方案。為此，綜述也對一些未來的努力方向進行了展望。
總的來說，該綜述為最大程度地降低鈣鈦礦太陽能電池的非輻射複合損失提供了理論總結，也為開展實驗工作提供了參考借鑑，對進一步提升電池效率，推動該類電池產業化應用有重要意義。
該綜述論文的第一作者/共同第一作者為朱瑞研究員課題組羅德映博士（已畢業）和博士研究生蘇睿，北京大學朱瑞研究員和薩裡大學張偉教授為通訊作者，北京大學和薩裡大學為通訊單位。該工作得到得到了科技部、國家自然科學基金委、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、極端光學協同創新中心、「2011計劃」量子物質科學協同創新中心、英國工程和自然科學研究委員會（EPSRC）等單位的支持。