利用铁电异质结调制实现钙钛矿太阳能电池高开路电压-填充因子乘积

《Nature Communications》：High Open-Circuit Voltage–Fill factor product in perovskite solar cells enabled by ferroelectric heterojunction modulation

为解决钙钛矿-钙钛矿异质结在同时提升内建电势和抑制非辐射复合方面的固有局限，研究人员开展了一项关于铁电异质结结构调控的研究。通过利用铁电材料本征的自发极化增强内建电场，并调控钙钛矿结晶动力学，实现了开路电压(Voc)从1.16 V提升至1.21 V，填充因子(FF)从83.6%提升至86.8%，最终获得认证效率26.07%的冠军器件，开路电压-填充因子乘积(Voc×FF)达到1.05 V，为迈向高性能光伏电池提供了新路径。

　　

在追求清洁能源的时代，太阳能电池作为将光能转化为电能的核心器件，其效率的每一分提升都备受瞩目。钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其优异的光电性能和相对低廉的制造成本，成为光伏领域一颗迅速崛起的新星。然而，通往更高性能的道路上并非一帆风顺。为了实现高效率，研究人员常常构建钙钛矿-钙钛矿异质结，但这就像一把双刃剑，在试图提升器件内建电势的同时，却往往难以抑制材料内部缺陷导致的非辐射复合（一种导致光生电荷白白损耗的过程），这使得同时获得高的开路电压（V_oc，衡量电池输出电压潜力的关键参数）和高的填充因子（FF，衡量电池输出功率曲线饱满度的关键参数）变得异常困难。如何突破这一瓶颈，是当前领域亟待解决的关键科学问题。为此，一项发表于《Nature Communications》的研究为我们带来了新的思路。

为了探索这一难题的解决方案，研究人员并未局限于传统的材料体系，而是将目光投向了具有自发极化特性的铁电材料。他们的核心策略是构建一种基于铁电材料的异质结结构。研究中主要运用了器件制备与光电表征（包括电流密度-电压曲线测试以获取V_oc、FF和能量转换效率等关键参数）、材料结构表征（如X射线衍射等分析结晶性质）以及稳定性测试（在模拟光照和最大功率点跟踪条件下持续监测器件性能衰减）等关键技术方法。

研究通过系统的实验，揭示了铁电异质结如何从两个核心层面提升器件性能：

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  增强内建电场与电荷分离：研究发现，引入的铁电材料其固有的自发极化效应，能够显著放大器件内部的内建电场。这个更强的电场如同一双更有力的手，能够更高效地驱动光生电子和空穴（电荷载流子）向相反电极运动，减少它们在传输过程中的复合与损失。这一机制直接导致了器件开路电压（V_oc）从1.16 V提升到了1.21 V。
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  调控结晶与抑制缺陷：研究进一步发现，铁电材料在钙钛矿薄膜形成过程中扮演了“结晶调控者”的角色。它通过影响钙钛矿前驱体的溶解-再结晶过程，引导钙钛矿晶体更加有序地生长。更高质量的晶体意味着材料内部的缺陷（陷阱态）显著减少，而缺陷正是引发非辐射复合的“元凶”。缺陷的减少使得电荷传输更加顺畅，从而将器件的填充因子（FF）从83.6%提高到了86.8%。

综合以上两个方面的优化，冠军器件实现了高达26.62%的功率转换效率（PCE）（经认证效率为26.07%）。尤为突出的是，其开路电压与填充因子的乘积（V_oc×FF）达到了1.05 V，这一数值达到了该材料体系理论Shockley-Queisser（SQ）极限的90.3%，标志着器件在电压输出和功率输出特性上均达到了极高水平。

除了效率的突破，该研究在稳定性方面也取得了重要进展。经过500小时的最大功率点跟踪（MPPT，一种模拟实际工作条件的稳定性测试）测试后，优化后的器件仍能保持超过85%的初始效率，显示出显著增强的工作稳定性。

这项研究的重要意义在于，它创造性地将铁电材料的特性引入钙钛矿太阳能电池的异质结工程中，通过“增强内建电场”和“调控结晶抑制缺陷”的协同机制，成功解决了传统异质结难以兼顾高V_oc和高FF的固有矛盾。所实现的1.05 V的V_oc×FF乘积以及接近90% SQ极限的效率水平，不仅为钙钛矿太阳能电池的性能提升树立了新的标杆，更重要的是，它开辟了一条通过铁电极化调控来设计高性能光电器件的新途径。这项研究为未来开发兼具高效率、高稳定性的下一代光伏技术提供了清晰的理论指导和可行的技术方案。