最新Science：聚合物鈍化PSCs實現填充因子（FF）最高達到0.845

【背景介紹】

自2014年以來，鈣鈦礦型太陽能電池（PSC）的開路電壓（V_oc）、短路電流（J_sc）和填充因子（FF）性能得到大幅提升。其中，V_oc從~1 V穩定增加到~1.2 V，表明了減少非輻射復合的進展，特別是在鈣鈦礦電荷傳輸層界面上。已報道的鈍化材料包括絕緣和半導體有機材料、無機電介質和低維鈣鈦礦。研究發現，要實現非常高的FF需要低的復合損耗（高V_oc）；平滑、均勻和致密的活性層（高分流電阻），以及非常有效的電荷提取和傳輸（低串聯電阻）。事實上，V_oc=1.1 V的太陽能電池的理論最大FF約為0.89，遠高于目前已報道的最高值。在不妨礙電荷提取的情況下，減少界面復合以實現最大化V_oc和FF是所有高效太陽能電池面臨的重要挑戰。同時，另一個挑戰是在更大的PSCs面積上保持高效率，特別是FF。

【成果簡介】

今日，中山大學李俊韜教授、澳大利亞國立大學Kylie R. Catchpole和Kylie R. Catchpole（共同通訊作者）等人報道了一種PSC結構，其中作者利用稀疏的納米級TiO₂納米棒陣列取代了常用的介孔TiO₂（meso-TiO₂）電子傳輸層（ETL）。通過超薄的聚合物鈍化層可以有效的鈍化產生納米級圖案化ETL-鈣鈦礦界面，以獲得高V_oc，同時保持優異的電荷收集和界面傳輸性能，從而實現低串聯電阻和高FF。在大面積（1 cm²）電池上，其功率轉換效率（PCE）達到了21.6%，填充因子（FF）更是達到了0.839。在V_oc=1.240 V，FF=0.845的條件下，一個小面積（~0.165 cm²）電池的PCE竟然達到了~23.17%。作者使用三維（3D）數值模擬研究和解釋了納米結構界面的性能，精確地復制了FF增強和觀察到的納米級圖形幾何實驗趨勢。模擬結果表明，TiO₂納米棒未完全涂覆聚甲基丙烯酸甲酯：PCBM（苯基-C61-丁酸甲酯）鈍化材料，使局部低電阻接觸的暴露區域直接類似于高效硅太陽能電池中的局部接觸結構。通過模擬和實驗之間的詳細比較，為暴露的納米棒面積分數和暴露的ETL-鈣鈦礦界面上復合活性缺陷的密度設定了合理的界限。此外，作者還介紹了一種無離子摻雜的混合空穴傳輸層（HTL），該層提供了與摻雜替代物類似的電池性能。在85℃和85%相對濕度的條件下，在暴露1000 h后，包含新ETL和HTL組合的封裝電池仍然保留了>90%的初始效率。研究成果以題目為“Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells”發表在國際頂級期刊Science上。

【圖文速遞】

圖一、已報道PSCs的性能

圖二、納米結構TiO2 ETL、納米圖形和控制鈣鈦礦電池光伏參數的統計分布

圖三、模擬結果

圖四、在1 cm²鈣鈦礦電池上的器件性能和長期穩定性實驗

文獻鏈接：Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells (Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abb8687)

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.

?