Nature Energy：制造高穩定性鈣鈦礦太陽能電池！

一、【科學背景】

幾十年來，單晶硅太陽能電池一直主導著光伏（PV）市場，近年來金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的認證功率轉換效率（PCE）超過26%（單結）和33%（鈣鈦礦—硅串聯），已成為單晶硅太陽能電池有力的競爭者和串聯對象。先前研究者們致力于提高PSCs 的效率。最近，隨著采用低能耗和低成本工藝制造的 PSCs的效率開始趕超硅光伏電池，研究者們開始致力于提高其穩定性。隨著鈣鈦礦光伏邁向商業化，必須與照明電池電流匹配的遮光電池中的反向偏壓退化是一個嚴峻的挑戰。

二、【創新成果】

基于此，美國華盛頓大學David S. Ginger教授團隊在Nature Energy發表了題為“Improved reverse bias stability in p-i-n perovskite solar cells with optimized hole transport materials and less reactive electrodes”的論文，揭示了器件架構工程對鈣鈦礦太陽能電池的反向偏壓行為有重大影響。通過施加約35 nm厚的共軛聚合物空穴傳輸層（HTLs）和電化學更穩定的背電極，可以導致擊穿電壓（V_rb）的急劇增加，得到的平均V_rb超過-15 V，這一數值與硅電池的V_rb相當。本研究提高V_rb的策略減少了保護部分遮光太陽能模塊所需的旁路二極管的數量，這已被證明是硅太陽能電池板的有效策略。

研究人員首先使用混合陽離子、三鹵化物鈣鈦礦Cs_0.22FA_0.78Pb(I_0.85Br_0.15)₃和3 mol %的MAPbCl₃添加劑制作了一個原始的p-i-n型PSC，研究了其反向偏置穩定性，并施加不同空穴傳輸層來研究不同擊穿電壓，并對其影響因素進行研究。

圖1 ?原始p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池中的反向偏置穩定性研究 ? 2024 Springer Nature

圖2 ?不同空穴傳輸層對V_rb的影響 ? 2024 Springer Nature

圖3 ?電化學穩定的Au電極對V_rb的影響 ? 2024 Springer Nature

圖4 ?反向偏置下的鈣鈦礦太陽能電池降解機制的示意圖 ? 2024 Springer Nature

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三、【科學啟迪】

綜上，本研究揭示了可能影響p-i-n PSCs反向偏置行為的因素。結果表明，優化HTLs和金屬電極對于防止PSCs的反向偏置驅動退化至關重要。即使使用活性銀電極，使用堅固的PTAA HTLs也能將平均V_rb提高到-7.6 V，而基于MeO-2PACz的鈣鈦礦太陽能電池的平均V_rb為-1 V。通過用Au代替Ag對金屬電極進行進一步優化，將平均V_rb擴展到超過-15 V。優化后的太陽能電池在黑暗和部分光照下在-7 V下應力9小時后表現出可恢復的性能損失，并且對多次循環應力測試具有良好的彈性。實驗結果表明，在制造的鈣鈦礦p-i-n器件中實現高反向偏壓穩定性的努力應側重于（1）使用電化學惰性的電極；（2）使用在反向偏壓下可以更穩健地阻擋空穴或電子注入的中間層。作者認為，可能影響這一過程的因素包括中間層的厚度、覆蓋率、能級排列、態密度和介電常數；（3）優化鈣鈦礦層的制造以最小化缺陷/離子密度；（4）優化每個功能層的處理，以避免可能導致器件泄漏或分流的針孔或其他缺陷位點。本研究表明，通過設計鈣鈦礦和其他功能層來防止氧化還原反應，可以進一步提高鈣鈦礦光電子器件的反向偏壓穩定性。

原文詳情：Improved reverse bias stability in p-i-n perovskite solar cells with optimized hole transport materials and less reactive electrodes (Nat. Energy 2024, DOI: 10.1038/s41560-024-01600-z)

本文由大兵哥供稿。