電子科大劉明偵Adv. Mater.：28.84%認證效率，全絨面、兼容產線的鈣鈦礦/硅基兩端疊層太陽能電池

引言

鈣鈦礦作為一種低成本的新型高性能光伏材料，可以和傳統硅基材料構筑疊層電池結構從而優化光吸收性能，提高太陽能電池的功率轉換效率。目前，高性能鈣鈦礦/硅基疊層電池為了兼容亞微米級鈣鈦礦頂電池的溶液法制備，需要對現有異質結硅基底電池的硅片工藝、厚度、絨面尺寸、復合層材料等作出一定的額外加工處理。比如采用拋光硅基底電池以兼容溶液法工藝，增加硅片厚度以彌補近紅外波段吸收不足，使用微晶硅隧穿結替代傳統ITO以減少大絨面上鈣鈦礦子電池漏電等。這些額外后處理工藝不可避免增加了高效疊層電池的材料與工藝低成本。目前產線兼容的大絨面鈣鈦礦/硅基疊層太陽能電池最高認證效率僅25.2%，與平面、微絨面疊層太陽能電池效率仍然存在較大差距。如何直接利用現有商業化大絨面硅基電池制備高效率疊層太陽能電池器件是當前亟待解決的重要難題。

成果簡介

近日，Advanced?Materials發表題為“接近29%效率的全絨面產線兼容鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池” (Fully textured, production-line compatible monolithic perovskite/silicon tandem solar cells approaching 29% efficiency) 的研究論文，通訊作者為電子科技大學材料與能源學院的劉明偵教授和中科院上海微系統與信息技術研究所劉正新研究員。電子科技大學材料與能源學院博士后毛霖、博士生張浩及中國工程物理研究院博士生楊田為共同第一作者。

本文亮點：

在本工作中，作者提出了一種納米級超薄NiO_x/2PACz復合空穴傳輸層的保形制備策略，解決了在商業微米級粗糙硅表面（陷光金字塔結構平均尺寸2~5 μm）制備納米級超薄電荷傳輸層與鈣鈦礦薄膜的技術難題，實現了能與產線上晶體硅電池兼容制備的鈣鈦礦/硅基兩端疊層太陽能電池器件，第三方認證效率達到28.84%，是目前為止國內外文獻報道的產線兼容的鈣鈦礦/硅基兩端疊層太陽能電池的最高認證效率。該工作解決了現有產線硅基電池需要拋光、微制絨等額外處理才能實現高效疊層太陽能電池的技術瓶頸，推動了鈣鈦礦/硅基疊層太陽能電池的低成本產業化發展。

圖文導讀

圖1復合空穴傳輸層/鈣鈦礦薄膜的制備

在絨面硅基底電池的ITO表面依次采用磁控濺射、旋涂的方法制備氧化鎳和自組裝層。然后采用氣相/溶液兩步法，先蒸鍍一層碘化鉛前驅體層，然后與混合陽離子溶液接觸，加熱反應生成鈣鈦礦。空穴傳輸層和鈣鈦礦層均能在大尺寸絨面上形成良好的保形覆蓋。

圖1.?在異質結硅基底電池上制備空穴傳輸層和鈣鈦礦層工藝流程示意圖。

圖2、3?復合空穴傳輸層的優點

納米級超薄NiO_x/2PACz的復合空穴傳輸層的優勢：磁控濺射制備的NiO_x中間層增強了2PACz分子的化學吸附作用（圖2-c），DFT計算結果表明ITO上2PACz分子的吸附能為-0.79eV，而在ITO/NiO_x上2PACz分子的吸附能提升到-3.28eV（圖2-d），化學吸附能的增加提升了2PACz在NiO_x薄膜上的致密性與均勻性（圖2-c），降低了ITO和鈣鈦礦層之間的直接接觸幾率，有效解決了大絨面硅表面超薄空穴傳輸層難以均勻覆蓋而造成的漏電損耗。2PACz分子一方面調控了NiO_x表面的親疏水性質，增大了鈣鈦礦薄膜晶體質量，提升了載流子壽命（圖2-e和圖3-e、3-f）；另一方面顯著優化了NiO_x表面的功函數，提升了載流子的界面輸運性質（圖3-a、3-b）。

圖2. （a）NiO_x和2PACz修飾過后NiO_x表面的X射線光電子能譜Ni2p和O1sg軌道區域分析；（b）2PACz在NiO_x表面結合原理示意圖；（c）NiO_x和ITO表面、NiO_x和ITO表面旋涂2PACz、NiO_x和ITO表面旋涂2PACz再用乙醇清洗后的X射線光電子能譜P2p軌道區域分析；（d）基于密度泛函理論計算進行的2PACz與ITO表面和NiO_x表面的羥基結合情況的模擬；（e）在ITO/NiO_x、ITO/2PACz、ITO/NiO_x/2PACz表面制備鈣鈦礦薄膜的表面和橫截面的掃描電子顯微鏡圖；（f）水滴在ITO/NiO_x、ITO/2PACz、ITO/NiO_x/2PACz三種表面形成液滴的側面照片和接觸角。

圖3. （a）ITO 、ITO/2PACz、NiO_x和NiO_x/2PACz四種表面的紫外光電子能譜圖；（b）通過計算得到的NiO_x、2PACz、NiO_x/2PACz和鈣鈦礦的能級分布圖；（c）ITO 、ITO/2PACz、NiO_x和NiO_x/2PACz四種表面的電勢分布統計圖；（d）ITO/2PACz和NiO_x/2PACz表面的形貌和電勢分布圖，圖例長度為2微米；（e）NiO_x和NiO_x/2PACz表面的鈣鈦礦薄膜的時間分辨光致發光光譜衰減圖；（f）開路情況下鈣鈦礦在不同空穴傳輸層表面激發光致發光衰減的載流子行為的示意圖。

圖4、5?單結和疊層電池性能

基于復合空穴傳輸層制備的單結和疊層器件都展示了優于單獨氧化鎳和單獨2PACz的光伏性能。其中疊層電池的認證效率達到了28.84%（圖5g），這是目前基于產線上大絨面硅基底電池構筑的鈣鈦礦/硅基疊層電池的最高認證效率。該工作采用完全可商用化硅基底電池，并未對底電池結構做出額外后加工處理；并且制備鈣鈦礦及相關功能層的工藝均可適配大面積、大規模工業生產。該工作將推動鈣鈦礦/硅疊層技術的產業化。

圖4.（a）采用NiO_x/2PACz作為空穴傳輸層并采用蒸鍍-溶液法工藝制備鈣鈦礦薄膜的單結鈣鈦礦器件示意圖；（b）基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三種空穴傳輸層的鈣鈦礦單結電池的最優化電流密度-電壓曲線以及光伏性能參數；（c）基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三種空穴傳輸層的鈣鈦礦單結電池的光伏性能參數分布統計；基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三種空穴傳輸層的鈣鈦礦單結電池的莫特肖特基曲線（d）以及開路電壓-光強曲線。

圖5. （a）產線兼容的鈣鈦礦/硅基疊層太陽能電池器件結構示意圖；（b）鈣鈦礦/硅基疊層電池截面掃描電子顯微鏡圖；（c）鈣鈦礦/硅基疊層電池器件實物的正面、背面照片；（d）基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三種空穴傳輸層的鈣鈦礦/硅基疊層電池的最優化電流密度-電壓曲線以及光伏性能參數；（e）冠軍效率電池器件的正反掃電流密度-電壓曲線以及外量子效率圖；（f）基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三種空穴傳輸層的鈣鈦礦/硅基疊層電池的光伏性能參數分布統計；（g）第三方測試機構——中國測試技術研究院的認證效率。
總結與展望

本工作針對在商業微米級粗糙度硅底電池表面制備納米級超薄電荷傳輸層與鈣鈦礦薄膜的技術難題，通過低溫磁控濺射與分子自組裝技術設計了納米級超薄NiO_x/2PACz的復合空穴傳輸層結構。其中NiO_x中間層增強了2PACz分子的化學吸附作用。2PACz一方面調控了NiO_x表面的親疏水性質，增大了鈣鈦礦薄膜晶體質量，提升了載流子壽命；另一方面顯著優化了NiO_x表面的功函數，提升了載流子的界面輸運性質。最終實現了認證效率接近29%的鈣鈦礦/硅基疊層器件，是目前為止國內外文獻報道的產線兼容的鈣鈦礦/硅基兩端疊層太陽能電池的最高認證效率。本研究成果，一方面解決了現有產線硅基電池需要拋光、微制絨等額外處理才能實現高效疊層太陽能電池的技術瓶頸，推動了鈣鈦礦/硅基疊層太陽能電池的低成本產業化發展；另一方面，氣相沉積等工業化技術的應用也為高效鈣鈦礦/硅基疊層電池大面積化、規模化制備提供了技術支撐。

原文：

Fully Textured, Production-line Compatible Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Approaching 29% Efficiency

Lin Mao, Tian Yang, Hao Zhang, Jianhua Shi, Yuchao Hu, Peng Zeng, Faming Li, Jue Gong, Xiaoyu Fang, Yinqing Sun, Xiaochun Liu, Junlin Du, Anjun Han, Liping Zhang, Wenzhu Liu, Fanying Meng, Xudong Cui, Zhengxin Liu, Mingzhen Liu

Advanced Materials, 2022, DOI: 10.1002/adma.202206193

Publication date: 19 August 2022