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(yīng)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(yīng)，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(shè)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(yīng)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(yīng)，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?？梢钥闯?，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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(shè)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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