摘要
鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池是下一代光伏技術(shù)的有力競爭者,，有望取代目前市場上占主導地位的單結(jié)硅電池,。然而，為了證明在硅電池上添加鈣鈦礦電池的額外成本是合理的,，這些器件首先應該表現(xiàn)出足夠高的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE),。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院 (EPFL) 的 Christophe Ballif 教授團隊在 Joule 期刊發(fā)表了最新研究成果，展示了兩種關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同效應,，將平面硅片鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池的 PCE 提升至 30 ± 1%,，并獲得了 30.9% 的認證高效率。研究人員通過在鈣鈦礦前驅(qū)體油墨中添加五氟芐基膦酸 (pFBPA) 以及在鈣鈦礦薄膜和空穴傳輸層 (HTL) 之間引入二氧化硅 (SiO2) 納米顆粒 (NPs) 中間層,，成功地減少了界面缺陷和非輻射復合,，顯著提升了器件的效率和穩(wěn)定性。
本研究推薦使用設備
SS-PST100R AM1.5G 可變標準光譜模擬光源高效率新型疊層太陽能電池精準效率測量
QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)
研究背景與核心概念
目前商用光伏技術(shù)主要集中在單結(jié)太陽能電池,，其中晶體硅 (Si) 是主要的吸光材料選擇,。然而，單結(jié)晶硅電池的 PCE 存在物理極限,，略高于 29%,，這與目前晶硅電池 (27.1%) 相差不遠,。為了突破這個極限并降低太陽能發(fā)電成本，一種方法是使用具有更高帶隙的額外吸光材料來減少熱損失,，更有效地利用太陽光譜,。在硅上使用帶隙約為 1.6 至 1.7 eV 的吸光材料 (晶硅的帶隙為 1.1 eV)，理論上可以將 PCE 極限從約 29% 提高到 40% 以上,。在這方面,，具有可調(diào)帶隙、制造成本相對較低和光電性能優(yōu)異的鈣鈦礦吸光材料非常適合與晶硅結(jié)合使用,。然而,，為了證明在晶硅電池上添加鈣鈦礦電池的額外成本是合理的，疊層器件應同時表現(xiàn)出高 PCE 和良好的工作穩(wěn)定性,。
研究方法與主要發(fā)現(xiàn)
該研究提出了兩種關(guān)鍵技術(shù),，它們具有協(xié)同效應，可以將鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池 (在正面平面硅片上旋涂鈣鈦礦薄膜) 的 PCE 可靠地提高到 30 ± 1%,。
l 第一項技術(shù)是使用五氟芐基膦酸 (pFBPA) 作為鈣鈦礦 (Cs0.05[FA0.9MA0.1]0.95Pb[I0.8Br0.2]3) 前驅(qū)體油墨中的添加劑,，以消除與鉛相關(guān)的缺陷和鈣鈦礦/C60 界面附近的非輻射復合，從而提高器件的開路電壓 (Voc) 和填充因子 (FF),，值得注意的是,，無需額外的鈍化層。
l 第二項技術(shù)主要增強 FF,，包括使用稀疏涂覆的二氧化硅 (SiO2) 納米顆粒 (NPs) 作為鈣鈦礦和空穴傳輸層 (HTL) 之間的中間層,，通過改善表面潤濕性，實現(xiàn)高性能 [4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸 (Me-4PACz) 的可重復使用,，同時改善 pFBPA 導致的鈣鈦礦薄膜質(zhì)量下降,。
研究結(jié)果與討論
3.1 pFBPA 增強頂電池性能
研究發(fā)現(xiàn)，pFBPA 可以有效地鈍化鈣鈦礦/C60 界面處的缺陷,，并抑制非輻射復合,，從而提高器件的 Voc 和 FF。Fig. S1 和 Fig. S2 分別展示了在光照和黑暗條件下,，添加 pFBPA 對單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池性能的影響,。可以看出,，pFBPA 的添加可以顯著提高器件的 Voc,、FF 和 PCE，并且可以有效地抑制光照引起的性能衰減,。
Fig. S3 展示了不同濃度的 pFBPA 對器件性能的影響,。研究發(fā)現(xiàn)，當 pFBPA 濃度為 5 mM 時,，器件的性能最佳,。
3.2 SiO2 納米顆粒提升薄膜質(zhì)量
為了解決 pFBPA 導致的鈣鈦礦薄膜質(zhì)量下降問題,，該研究引入了 SiO2 納米顆粒 (NPs) 作為鈣鈦礦和空穴傳輸層 (HTL) 之間的中間層。SiO2 NPs 具有良好的潤濕性,，可以改善鈣鈦礦薄膜的表面形貌,，減少針孔和分流的形成。Fig. S9 展示了不同濃度的 SiO2 NPs 對基底表面形貌的影響,，可以看出，SiO2 NPs 可以有效地提高基底表面的平整度,。Fig. S10 展示了 SiO2 NPs 對 Me-4PACz 表面潤濕性的影響,，可以看出，SiO2 NPs 可以有效地改善 Me-4PACz 在鈣鈦礦表面的鋪展性,，形成更加均勻的薄膜,。
Fig. S11 展示了不同濃度的 SiO2 NPs 對器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),，當 SiO2 NPs 濃度為 0.2 wt% 時,，器件的性能最佳。
3.3 協(xié)同效應助力高效疊層電池
將 pFBPA 和 SiO2 NPs 結(jié)合使用,，可以充分發(fā)揮它們的協(xié)同效應,，制備出高效穩(wěn)定的鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池。pFBPA 鈍化鈣鈦礦/C60 界面缺陷,，提高 Voc 和 FF,，而 SiO2 NPs 改善薄膜質(zhì)量，進一步提升 FF,。最終,，該研究實現(xiàn)了 30 ± 1% 的可重復 PCE，并獲得了 30.9% 的認證高效率 (Fig. S21),。
結(jié)論與展望
該研究提出的協(xié)同基底和添加劑工程策略為制備高效穩(wěn)定的鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池提供了新思路,，并為推動其產(chǎn)業(yè)化應用奠定了基礎(chǔ)。未來,，可以通過進一步優(yōu)化材料和器件結(jié)構(gòu),，以及結(jié)合其他界面工程策略，進一步提升疊層電池的效率和穩(wěn)定性,。
本文參數(shù)圖:
Fig. 3_ (F)展示兩種太陽能電池材料——鈣鈦礦（Perovskite）和晶硅（Si）的外量子效率（EQE）與波長關(guān)系的圖表,。
· 鈣鈦礦的EQE曲線以藍色表示，峰值接近80%,，并在大約800nm的波長處開始下降,。
· 晶硅的EQE曲線以紅色表示，峰值略低于鈣鈦礦,，且在大約1100nm的波長處迅速下降,。
· 圖中還標注了兩種材料的電流密度,，鈣鈦礦為20.52 mA/cm220.52 mA/cm2，晶硅為19.92 mA/cm219.92 mA/cm2,。
此張圖表可以用來比較不同材料在太陽能電池應用中的性能,，特別是在不同波長下的光電轉(zhuǎn)換效率。
Fig.S33_電流密度與電壓特性以及串聯(lián)器件性能參數(shù)的示例
裝置在制造完成后（即初始階段）和在充滿氮氣的手套箱中暗藏一年后測量的性能參數(shù),。
Fig.S35_圖 3h 所示的串聯(lián)設備電流密度與電壓特性示例
在第三個周期的 12 小時內(nèi)（即從第 24 小時到第 36 小時）跟蹤 MPP 前后的電流密度與電壓特性,。
原文出處: JOULE
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