有機太陽能電池（OSCs）的發展已見成效，采用非富勒烯受體（NFAs）的小分子材料，使其能量轉換效率（PCE）超過了19%。然而，有機材料在吸收光譜上存在局限，尤其是NIR和NUV區域的吸收不佳。為了提升光吸收能力，研究人員提出了低帶隙NFAs和多組分策略，雖然提高了JSC，但在單一結OSCs中無法最小化高能量光子的能量損失。
串聯太陽能電池（TSCs）結合了寬帶隙（WBG）和低帶隙（LBG）半導體，可以擴展吸收光譜，減少能量損失，從而提升光伏性能。研究人員探索了2T和4T兩種結構，其中2T架構因其較低的寄生吸收和易于模塊整合而受到青睞。然而，高性能WBG有機材料的開發相對落后，而全無機鈣鈦礦（如CsPbI2Br）因其可調的寬帶隙和熱穩定性，成為前子電池的理想材料。
南方科技大學 Aung Ko Ko KYAW 團隊於Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202200445 )中發表，使用CsPbI2Br作為前子電池的吸收層，通過ZnO/SnO2雙層電子傳輸材料提高了電子提取效率和Voc。同時，采用窄帶隙PM6體異質結（BHJ）膜作為后電池吸收層，以擴展吸收至900nm以上。透過熱退火（TA）-自由制程改善了后子電池的性能，降低了界面電阻，抑制了非輻射復合，從而提高了Voc。最終，單片式2T-TSCs達到了20.6%的PCE和2.116V的Voc，創下了基于鈣鈦礦/有機吸收層太陽能電池的新紀錄，并超越了單一結和疊層有機太陽能電池的最高報告PCE。這表明，結合WBG全無機鈣鈦礦的疊層策略是有效且創新的，能夠充分利用太陽光譜，提升OSCs的效率。
導讀目錄
1. 引言
2.
3. 單結到疊層實驗手法及程序剖析
4. 有機疊層太陽能電池成功提升效率與降低Voc耗損
單結到疊層實驗手法及程序剖析
經由本研究發表中，歸納出研究團隊所執行的實驗程序、手法及采用的表征設備如下:
1. 材料選擇與制備：
o選擇合適的材料，包括PM6作為有機活性層材料，以及CsPbI2Br作為全無機鈣鈦礦材料。
o制備ITO/PEDOT/PM6/MoO3/Ag結構的單結有機太陽能電池。
o制備不同ETL的全無機鈣鈦礦前子電池，包括SnO2、ZnO NPs/SnO2和s-ZnO/SnO2。
表S1. 基于不同ETL的全無機鈣鈦礦前子電池的光伏參數
o制備熱退火(TA)和無熱退火(TA-free)有機后子電池。
2. 結構與性能表征：
oJ-V曲線分析在AM 1.5 G標準照明條件下進行單結有機太陽能電池的性能。
oEQE曲線分析用于評估太陽能電池的光電轉換效率。
圖5. (a) 單結有機太陽能電池的J-V曲線和(b) EQE曲線，采用標準結構的ITO/PEDOT/PM6/MoO3/Ag
o測量并分析全無機鈣鈦礦前子電池的光電參數。
o比較TA和TA-free有機后子電池的性能差異。
3. 電化學阻抗譜(EIS)分析：
o對TA和TA-free有機后子電池進行EIS測量，以分析其電荷轉移和傳輸過程。
o擬合EIS數據以獲取相關的電化學參數，如串聯電阻(Rs)和并聯電阻(Rsh)。
4. 能量損失分析：
o分析太陽能電池的能量損失，包括擬合參數如R1、R2、R3、CPET1、CPEP1、CPET2和CPEP2。
o計算能量損失，如ΔΕ1、ΔE2和ΔE3，以評估太陽能電池的能量轉換效率。
光焱科技FTPS-EQE軟件量測示意圖
5. 串聯太陽能電池的性能評估：
o制備并測試了31個串聯太陽能電池的光電參數。
o分析串聯太陽能電池的性能一致性和穩定性。
圖S16. CsPbI2Br/PM6串聯太陽能電池在不同偏壓下的電致發光光譜，其中(a)為無TA裝置，(b)為TA裝置
6. 文獻對比分析：
o將研究結果與文獻中報導的其他串聯太陽能電池進行比較。
o總結研究成果，包括效率超過20%和Voc超過2.1伏特的成就。
7. 結論與展望：
o總結研究發現，包括熱退火對有機后子電池性能的影響。
o提出未來研究的方向和潛在的改進措施。
有機疊層太陽能電池成功提升效率與降低Voc耗損
高性能的2T全無機鈣鈦礦/有機串聯太陽能電池結合了吸收匹配良好的CsPbI2Br與PM6混合物，作為前后電池的吸收材料，有效提升了電池性能。此外，在鈣鈦礦亞電池中插入s-ZnO層，有助于電荷的分離并增強開路電壓（Voc），進一步提升了電池的效率。研究還發現，熱退火（TA）處理會破壞有機亞電池電極與PFN-Br界面之間的關鍵電荷傳輸過程，導致不良電荷累積和再結合。因此，采用無熱退火（TA-free）制程，在不損害短路電流（JSC）和填充因子（FF）的情況下，成功改善了開路電壓（Voc）。
高效率記錄：2T-TSC在小面積電池上達到了20.6%的顯著能量轉換效率（PCE），在大面積電池上達到了16.5%的PCE。
出色的Voc值：達到了2.116V的Voc，這幾乎是個別亞電池Voc值的總和，只有約0.001V的差異。
研究團隊采用了光焱科技提供的完整能量耗損分析設備，包括：SS-X系列AM1.5G 3A+級太陽光仿真器，用于在量測過程中建立標準光譜下的模擬環境；以及QE-R外量子效率量測方案，不僅為單結和迭層太陽能電池提供了精準且高重現性的量子效率參數，還能通過軟件的配合，實現高效的ΔΕ1量測模式。此外，REPS和FTPS設備專門針對ΔE2和ΔE3的Voc耗損進行必要的參數分析。光焱科技的完整Voc耗損分析系統可將上述設備的數據直接執行導入與導出，有效簡化了原本繁瑣且需要大量計算驗證的研究流程，從而成功獲取器件各階段所需的關鍵參數，并降低了程序負荷和人為計算錯誤的風險。
全無機鈣鈦礦的疊層策略：證明了采用全無機鈣鈦礦的疊層策略是有效且創新的，能夠充分利用太陽光譜，從而提高有機太陽能電池的效率。
效率瓶頸的突破：此研究展示的結果超越了單一結和串聯有機太陽能電池的最高報告PCE，證明了使用WBG全無機鈣鈦礦的串聯策略是利用從NUV到NIR的寬太陽光譜，從而提高有機太陽能電池OSCs效率的一種有效和創新的策略，打破了有機太陽能電池20%的效率瓶頸。
文獻參考自Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202200445)
本文章為Enlitech光焱科技改寫 用于科研學術分享 如有任何侵權 請來信告知
