黃勁松最新Nat. Photonics：寬帶隙鈣鈦礦缺陷工程可用于實現高效鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池近年來取得的研究進展是有目共睹的，其最高認證效率已經達到25%以上。為了進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率，人們提出了集成寬帶隙（WBG）鈣鈦礦與成熟的光伏技術并將其應用于疊層太陽能電池以改善太陽能電池的效率。在所有基于鈣鈦礦的疊層光伏技術中，鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池是比較成熟的一類技術，有望進行商業化開發。然而，這一效率依然低于雙面織構晶硅結構所能發揮的潛在效率。究其原因，主要在于兩方面：一是相較于平面晶硅，疊層電池的開路電壓（V_OC）損失嚴重并且填充因子較小；二是對于WBG鈣鈦礦的化學缺陷性質的研究還不夠透徹。

【成果簡介】

有鑒于此，北卡羅來納大學黃勁松（通訊作者）和博士后楊光（第一作者）等人發表最新研究發現，相對于純碘鹵素的鈣鈦礦，在碘溴混合鹵素的WBG鈣鈦礦中碘化物間隙深能級缺陷（deep trap）濃度會顯著增加，從而限制WBG鈣鈦礦電池的性能。根據這一發現，作者使用三溴離子以抑制碘化物間隙的形成，從而減少Cs_0.1FA_0.2MA_0.7Pb（I_0.85Br_0.15）₃葉片WBG鈣鈦礦薄膜中的電荷復合行為。由此制備的1μm厚WBG鈣鈦礦太陽能電池的效率可達到21.9%，其開路電壓損失可小至0.40?V，同時填充因子可增大至83%，最終使用這種鈣鈦礦結構的單片鈣鈦礦-晶硅疊層電池的效率最高可達到28.6%。此外，三溴化物的加入還抑制了WBG鈣鈦礦中光誘導的相分離行為，大幅提高了器件的穩定性，最終封裝疊層電池在運行550?h天后保持效率至初始效率的93%。研究成果以 “Defect engineering in wide-bandgap perovskites for efficient perovskite–silicon tandem solar cells”為題發表在國際著名期刊Nature Photonics上。

本文所有圖來源于? 2022 Springer Nature Limited。

【亮點】

1. 首次發現帶正電的碘化物間隙（I_i⁺）是WBG鈣鈦礦中占主導地位的深電荷俘獲（deep charge-trapping）缺陷。
2. 通過加入三溴化物TPABr₃，利用小尺寸的溴化物填充深陷阱，從而抑制碘化物間隙缺陷的形成。

【圖文解讀】

圖一、Cs_0.1FA_0.2MA_0.7Pb(I_1–xBr_x)₃太陽能電池中含溴量相關的陷阱密度分布

（a）不具有TPABr₃的Cs_0.1FA_0.2MA_0.7Pb(I_1–xBr_x)₃太陽能電池（x?=?0, 5%, 10%, 15% and 20%）的J–V曲線；

（b）具有TPABr₃的Cs_0.1FA_0.2MA_0.7Pb(I_1–xBr_x)₃太陽能電池（x?=?0, 5%, 10%, 15% and 20%）的J–V曲線；

（c）對照和TPABr₃器件中與帶隙相關的V_OC；

（d）不具有TPABr₃的Cs_0.1FA_0.2MA_0.7Pb(I_1–xBr_x)₃太陽能電池（x?=?0, 5%, 10%, 15% and 20%）的tDOS譜；

（e）具有TPABr₃的Cs_0.1FA_0.2MA_0.7Pb(I_1–xBr_x)₃太陽能電池（x?=?0, 5%, 10%, 15% and 20%）的tDOS譜；

（f）Cs_0.1FA_0.2MA_0.7Pb(I_0.85Br_0.15)₃太陽能電池含有/不含有CsI情況下的tDOS譜?；

（g）含有碘化物間隙的MAPbI₃ 和 MAPb(I_0.8Br_0.2)₃的幾何結構，含有Br₃^–的MAPb(I_0.8Br_0.2)₃理論幾何結構；

（h）通過含有TPABr₃, TBABr₃ 或 TPACl添加物的前驅體溶液加工處理得到的Cs_0.1FA_0.2MA_0.7Pb(I_0.85Br_0.15)₃太陽能電池的J–V曲線；

（i）TPABr₃, TBABr₃ 或 TPACl的分子結構。

圖二、WBG鈣鈦礦太陽能電池的厚度依賴性光伏性能

（a）不同厚度WBG鈣鈦礦薄膜的截面SEM圖；

（b）WBG鈣鈦礦器件的J–V曲線；

（c）WBG-TPABr₃鈣鈦礦器件的J–V曲線；

（d）WBG-TPABr₃鈣鈦礦器件的EQE譜；

（e）單結WBG鈣鈦礦太陽能電池的器件結構；

（f）表現最佳的對照組器件與TPABr₃含量為?0.2?mol%的Cs_0.1FA_0.2MA_0.7Pb(I_0.85Br_0.15)₃器件的J–V曲線；

（g）TPABr₃強化WBG鈣鈦礦電池的功率轉化效率（PCE）和V_OC。

圖三、WBG鈣鈦礦薄膜及器件的光電性能表征

（a）WBG鈣鈦礦薄膜的光致發光量子產率；

（b）載流子復合壽命；

（c）V_OC的光強依賴性；

（d）含有/不含有TPABr₃的WBG鈣鈦礦薄膜的穩態光致發光譜；

（e）含有/不含有TPABr₃的WBG鈣鈦礦薄膜的時間分辨光致發光譜；

（f）WBG鈣鈦礦薄膜沉積在石英基底時的TRMC瞬變。

圖四、鈣鈦礦-晶硅疊層電池的效率和穩定性

（a）鈣鈦礦-晶硅疊層電池的器件結構；

（b）在織構c-Si上進行WBG鈣鈦礦薄膜涂覆；

（c）單片鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池的J–V曲線；

（d）疊層電池的EQE譜和反射譜；

（e）封裝疊層電池在25°C空氣環境中的運行穩定性。

【結論與啟示】

在這項研究中，作者發現碘化物間隙是WBG鈣鈦礦中的主要深層缺陷，大大限制了WBG鈣鈦礦太陽能電池的效率。將三溴離子作為缺陷抑制劑引入WBG鈣鈦礦中，則可以抑制這些缺陷的形成，從而減少WBG中的非輻射電荷復合和開路電壓損失。研究顯示，這一策略可大幅增加載流子收集距離，并允許在織構硅上應用更厚的WBG鈣鈦礦，從而有效減少鈣鈦礦-硅疊層電池中的光損耗，最終將雙邊織構硅上鈣鈦礦-硅單片疊層電池的效率提高到28.6%。這項工作深入研究了缺陷對于太陽能電池性能的影響，這將有助于理解和發展混合鹵化物鈣鈦礦中的缺陷物理，并有望加速鈣鈦礦-硅光伏技術的商業化。

文獻鏈接：Defect engineering in wide-bandgap perovskites for efficient perovskite–silicon tandem solar cells, Nat. Photonics, 2022, DOI: 10.1038/s41566-022-01033-8.