Science：高性能鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的界面工程

一、【導讀】

? 串聯太陽能電池由硅電池覆以鈣鈦礦太陽能電池(PSC)組成，可以提高商業批量生產的太陽能電池的效率，并且可以超過單結電池的限制，而不增加實質性的成本。目前，鈣鈦礦/CIGSe串聯電池的功率轉換效率達到24.2%，全鈣鈦礦串聯電池達到24.8%，鈣鈦礦/硅串聯效率最高值則為26.2%。然而，這些以鈣鈦礦為基礎的串聯太陽能電池仍然有改進的空間，因為所有這些串聯技術的實際限制都遠高于30%。

? ? ? ? 鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池，能夠克服傳統硅太陽能電池功率轉換效率限制的可能性。為了提高光學性能，科學家已經提出了各種結構串聯器件，但優化表面結構晶圓上的薄膜生長，仍然是一個挑戰。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 德國柏林工業大學的Steve Albrecht團隊，證明了雙端子單片鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的改進的穩定性和效率，需要減少復合損耗。通過將三鹵化物鈣鈦礦（1.68 eV帶隙）與哌嗪碘化物界面改性相結合，改進了能帶對準，降低了非輻射復合損失，并增強了在電子選擇性接觸處的電荷提取。特定的鈣鈦礦組成（3 Hal）和PI濃度（0.3mg ml^-1）下，PI的主要作用不是鈣鈦礦表面的化學鈍化，而是允許導帶（CB）和最低未占據分子軌道之間的偏移顯著降低（約350 mV）。因此，電子的準費米能級可以移動得更靠近鈣鈦礦CB邊緣。此外，從電荷分離的角度來看，表面光電壓測量顯示在PI的存在下，在鈣鈦礦表面的電子選擇性增加，這與已報道的PI在鈣鈦礦表面上的工作機制不同。太陽能電池在p-i-n單結中顯示出高達1.28V的開路電壓，在鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池中顯示出高達2.00 V的開路電壓。串聯電池實現了高達32.5%的認證功率轉換效率。該項工作以標題為：“Interface engineering for high-performance, triple-halide perovskite–silicon tandem solar cells”發表在Science上。

三、【核心創新點】

1. 將具有適合于串聯集成的帶隙（68 eV）的3Hal鈣鈦礦與PI界面改性相結合，并將其與常用的氟化鋰（LiF）中間層進行比較。
2. 應用鈣鈦礦價帶頂（VBM）的詳細模型結合功函數（WF）來精確地確定電離能，從而評估界面改性的可能偶極效應。

四、【數據概覽】

圖1 ?具有表面處理和電荷傳輸層的3Hal鈣鈦礦薄膜的電子性質 ?2023 AAAS

圖2 3Hal膜的性質和具有和不具有表面處理的單結太陽能電池的性能 ?2023 AAAS

圖3 ?優化鈣鈦礦硅疊層太陽電池的性能 ?2023 AAAS

五、【成果啟示】

? ? ? ? 目前光伏（PV）器件市場由晶體硅（c-Si）器件主導，但是鈣鈦礦-硅串聯結構還需要提高其功率轉換效率（PCE）。直接連接c-Si底電池和鈣鈦礦頂電池的雙端子器件更有效地使用光，因為高能量光子可以被鈣鈦礦頂電池吸收，并且由鈣鈦礦透射的低能量光子可以被c-Si底電池吸收，這種方法的PCE為33.7%。然而，考慮到單片鈣鈦礦-硅串聯晶體的詳細平衡極限為45.1%，可以進行進一步的改進，特別是關于開路電壓（VOC）。為了在空氣質量系數（AM）1.5G太陽光譜和電流匹配條件下達到最高可能的效率，鈣鈦礦的最佳帶隙為1.73eV。有限的鈣鈦礦厚度和寄生吸收將最佳鈣鈦礦帶隙降低至~ 1.68eV。具有該帶隙的鈣鈦礦組合物需要高溴化物含量，并且面臨由相偏析引起的不穩定性，這導致VOC下降。為了解決這個問題，將有效的鈣鈦礦組合物與界面改性相結合。徹底的分析揭示了導致單結太陽能電池和鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池中的高VOC值和因此的高PCE值的機制。

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5872