在過去的幾年里，研究人員一直在嘗試開發(fā)鈣鈦礦型太陽能電池的新設(shè)計，以提高其性能、效率和穩(wěn)定性。實現(xiàn)這一點的一種可能方法是結(jié)合二維和三維鹵化物鈣鈦礦，以便利用這兩種不同類型鈣鈦礦的有利性質(zhì)。

二維鹵化物鈣鈦礦的二維晶體結(jié)構(gòu)具有很高的抗?jié)裥裕虼擞兄谔岣呔哂腥S鹵化物鈣鈦礦吸光層的太陽能電池的性能和耐久性。然而，迄今為止提出的用于結(jié)合二維和三維鹵化物鈣鈦礦的大多數(shù)策略僅涉及將這兩種材料混合在一起（例如，將二維前體與基于溶液的三維鈣鈦礦混合或在三維鈣鈦礦層上反應(yīng)二維前體溶液）。

首爾國立大學(xué)和韓國大學(xué)的研究人員最近設(shè)計了一種將二維和三維鹵化物鈣鈦礦相結(jié)合的太陽能電池的替代方法。發(fā)表在《自然能源》（NatureEnergy）上的一篇論文概述了這種方法，它可以幫助同時提高這些電池的效率和長期穩(wěn)定性。

雖然不同鈣鈦礦薄膜的混合對效率和水分穩(wěn)定性有一些積極的影響，但是通過溶液過程與二維前驅(qū)體與三維鹵化物的化學(xué)反應(yīng)形成二維具有局限性，研究人員之一的JunHongNoh教授告訴TechXplore說：“例如，由于非預(yù)期的準(zhǔn)二維相形成，在器件內(nèi)部電場設(shè)計中容易受熱和難以實現(xiàn)結(jié)。”我們試圖解決這個問題。”

為了克服先前提出的制作2-D/3-D鹵化物鈣鈦礦型太陽能電池的策略的局限性，Noh教授和他的同事們試圖在太陽能電池的光吸收層（窄帶隙）和功能性2-D層（寬帶隙）之間創(chuàng)建一個合適的連接。這種功能層存在于許多現(xiàn)有的高效太陽能電池結(jié)構(gòu)中，包括砷化鎵（GaAs）和異質(zhì)結(jié)（HIT）硅太陽能電池。

GaAs和HIT太陽能電池分別使用III-V半導(dǎo)體（AlGaAs）和非晶硅（a-Si）作為具有寬禁帶的功能層，以形成適當(dāng)?shù)膬?nèi)部電場。在這些太陽能電池中，功能層和光吸收層通常是同質(zhì)的。為了設(shè)計他們的太陽能電池，Noh教授和他的同事們確保他們使用了一種具有寬禁帶的二維鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與他們選擇的三維鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是同質(zhì)的。

“為了形成完整的2-D/3-D連接，我們得出的結(jié)論是，在形成連接時應(yīng)排除溶解過程，”Noh教授說這就是固相平面內(nèi)生長（SIG）過程誕生的原因。在SIG工藝中，分別制備3-D膜和2-D膜，將2-D膜堆疊在3-D膜的頂部，使它們彼此面對，然后施加熱和壓力以誘導(dǎo)2-D膜在3-D層上生長。”

利用這種獨特的設(shè)計策略，研究人員能夠在三維鹵化物鈣鈦礦薄膜的頂部生長出高度結(jié)晶的二維薄膜，而不會損壞它，也不需要使用溶劑。這導(dǎo)致形成完整的2-D/3-D連接。

Noh教授和他的同事發(fā)現(xiàn)，他們的方法不會導(dǎo)致意外形成準(zhǔn)2-D薄膜，當(dāng)2-D和3-D鹵化物鈣鈦礦薄膜混合在一起時，有時會發(fā)生這種情況。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是熱穩(wěn)定的，同時也使研究人員能夠輕松控制2-D薄膜的厚度和操縱2-D/3-D結(jié)的內(nèi)部電場。

“我們的方法可以同時提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和長期穩(wěn)定性，”Noh教授說此外，我們還提出了一種方法，使同質(zhì)鹵化物之間形成完整的連接（鹵化物/鹵化物），而不是異質(zhì)材料（即鹵化物/氧化物或鹵化物/有機物）之間的連接，這是迄今為止鈣鈦礦太陽能電池中的傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)。”

Noh教授和他的同事提出的設(shè)計策略很快就可以用于制造2-D/3-D鹵化物結(jié)鈣鈦礦型太陽能電池，這種電池既具有高效率又具有高的熱穩(wěn)定性。在未來，他們的工作還可以激勵其他研究團隊采用同樣的策略或設(shè)計類似的方法來提高鈣鈦礦基太陽能電池的性能。

Noh教授說：“在最近的研究中，我們使用了丁基碘化鉛（BA2PbI4），這是二維鹵化物鈣鈦礦中最簡單的結(jié)構(gòu)。”然而，探索新型二維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)應(yīng)用的研究正在進行中，以獲得更好的二維/三維結(jié)設(shè)計。通過這一點，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的鈣鈦礦型太陽能電池，如砷化鎵。”