Science：鈣鈦礦太陽能電池性能再次得到提升！

【導讀】

?將高性能的寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池集成到硅太陽能電池上可以通過最小化載流子熱損耗來獲得非常高的功率轉換效率(PCE)。 雖然最初的研究探索了n-i-p串聯，但最近的工作集中在p-i-n構型，其中n型電子收集接觸面向太陽，并通過器件光學和優化鈣鈦礦組成來提高性能。最近，注意力轉向了鈣鈦礦和空穴傳輸層(HTL)之間的界面，以減少電壓損失。方法包括NiOx的分子鈍化和使用自組裝單分子膜，如2PACz和Me-4PACz，固定在氧化物上，以減少V_oc的損失。

盡管取得了這些進展，但與理論輻射極限相比，最先進的PSCs，尤其是那些包含更寬帶隙鈣鈦礦的PSCs(例如，經常用于串聯應用的~1.68 eV)，具有較大V_oc虧損。這一問題主要源于大量的載流子復合和鈣鈦礦界面與電子傳輸層(ETL)的能級不匹配，其中最常見的是由蒸發C₆₀組成。在鈣鈦礦/C₆₀界面插入超薄的LiF層在一定程度上緩解了這一問題，但這可能導致器件的穩定性降低，這通常歸因于Li鹽的溶解行為和高離子擴散率。在單結p-i-n PSCs中，二維鈣鈦礦和一些通過溶液法制備的富勒烯衍生物已被用于鈍化鈣鈦礦/C₆₀后界面。而p-i-n串聯結構中鈣鈦礦/C₆₀界面朝向太陽，要求界面層透明度高、穩定性好、厚度控制好。

【成果掠影】

近日，沙特阿拉伯王國阿卜杜拉國王科技大學 (KAUST)Stefaan De Wolf教授團隊發現在鈣鈦礦/C₆₀界面上，通過熱蒸發形成1 nm厚的MgF_x夾層，可以很好地調節鈣鈦礦層的表面能，促進有效的電子提取，并將C₆₀從鈣鈦礦表面置換，減緩非輻射復合。這些效應使~1 cm²單片鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的V_oc達到1.92伏，填充因子提高了80.7%，獨立認證的穩定PCE達到29.3%。在濕-熱測試(85攝氏度，85%相對濕度)1000小時后，串聯保持了約95%的初始性能。相關成果以“Efficient and stable perovskite-silicon tandem solar cells through contact displacement by MgF_x”發表在Science上。

【數據概況】

圖 1?界面結構和電子特性。

圖 2 光致發光和瞬態吸收光譜。

圖 3 光伏性能和偽合資特性穩定性測試。

圖 4 穩定性測試。

【成果啟示】

總而言之，作者通過在鈣鈦礦/C₆₀界面上，加入大約1 nm厚的MgF_x夾層，發現能夠很好地調節鈣鈦礦層的表面能，促進有效的電子提取。而且MgF_x串聯器件具有合理的封裝方案，可以通過IEC 61215:2021標準的濕熱測試協議。本工作的策略不僅使得鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的性能得到大幅度提升，同時也為鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的改進提供了一種新的思路。

參考文獻：Liu, J.; ?De Bastiani, M.; ?Aydin, E.; ?Harrison George, T.; ?Gao, Y.; ?Pradhan Rakesh, R.; ?Eswaran Mathan, K.; ?Mandal, M.; ?Yan, W.; ?Seitkhan, A.; ?Babics, M.; ?Subbiah Anand, S.; ?Ugur, E.; ?Xu, F.; ?Xu, L.; ?Wang, M.; ?Rehman Atteq, u.; ?Razzaq, A.; ?Kang, J.; ?Azmi, R.; ?Said Ahmed, A.; ?Isikgor Furkan, H.; ?Allen Thomas, G.; ?Andrienko, D.; ?Schwingenschl?gl, U.; ?Laquai, F.; De Wolf, S., Efficient and stable perovskite-silicon tandem solar cells through contact displacement by MgF x. Science 0 (0), eabn8910.

https://doi.org/10.1126/science.abn8910