低光学损耗咔唑基互联层助力全钙钛矿叠层太阳能电池效率突破28%

近日，南京大学谭海仁教授团队报道了全钙钛矿叠层电池的新突破。相关成果于2023年11月3日，以“Efficient All-Perovskite Tandem Solar Cells with Low-Optical-Loss Carbazolyl Interconnecting Layers”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上。

“双碳”目标是我国做出的重大战略决策，发展清洁低成本的太阳能光伏发电技术，是实现这一战略目标的重要途径。通过串联宽/窄带隙钙钛矿子电池、并结合中间互联层构筑的全钙钛矿叠层太阳能电池，理论效率可达到45%，是下一代光伏技术的重要发展方向。开发高性能互联层和高效率窄带隙子电池则是实现高效叠层电池制备的关键核心点。然而，叠层电池互联层结构中常用的金属复合层（Au）和有机空穴传输材料（PEDOT: PSS）带来的严重的光学寄生吸收，影响叠层电池的短路电流密度，进一步阻碍了叠层电池性能的突破。

近年，咔唑基自组装单分子（SAM）因其优异的光电性能，作为空穴传输材料广泛地用于纯铅钙钛矿太阳能电池结构中。然而，SAM在较窄带隙的铅锡钙钛矿电池结构中却少有报道，这主要是因为钙钛矿前驱体溶液在疏水性SAM层上的浸润性较差，以及铅锡钙钛矿材料与SAM之间的能级排列不匹配造成。

南京大学谭海仁教授团队巧妙地设计了一种适用于铅锡窄带隙钙钛矿太阳能电池的空穴传输层（IC-CH传输层）：通过在光学透过良好的氧化铟锡纳米晶体(ITO NCs)薄膜上，锚定两种咔唑基混合空穴选择分子(CHs)；高比表面积ITO NCs层的引入增加了CHs的锚定位点，增强了CHs的锚定强度，并提高了钙钛矿前驱体溶液的润湿性；同时两种CHs的混合物调节了ITO NCs的表面能级。相较于传统的有机空穴传输层PEDOT: PSS，IC-CH传输层有效地提高了光生载流子的提取效率，减少了器件中的界面复合，同时保持了更加优异的光学透过性。使用IC-CH传输层的器件因此获得了更大的填充因子与短路电流密度，最高光电转换效率达23.2%。

集成IC-CH结构的互联层能够同时作为叠层电池的复合层，简化制备流程，避免了传统互联层中金属复合层带来的强烈寄生吸收及可能存在的金属扩散问题，使得叠层电池的光电转换效率与稳定性都有了显著提升。经过光学优化后的全钙钛矿叠层器件获得了28.1%的最高光电转换效率，短路电流密度高达16.7 mA cm-2，是迄今为止报道的最高值；封装叠层器件在空气氛围中运行500小时后仍然保持了参考效率的90%。这为实现高效全钙钛矿叠层太阳能电池提供了一种新策略。

南京大学为该文的第一作者单位和通讯单位，南京大学现代工学院博士生刘陈帅宇、特任副研究员林仁兴和博士生王玉瑞为论文共同第一作者；南京大学现代工学院特任副研究员林仁兴和谭海仁教授为论文共同通讯作者。本研究工作得到了中国科学技术大学樊逢佳教授的指导与支持；其也得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部前沿科学中心、江苏省自然科学基金等项目的资助；此外，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环教育部前沿科学中心、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室对该项研究工作也给予了重要支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202313374