能源光电材料与器件课题组
​​​​​​​​​ Tan Research Group, Nanjing University
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Advanced Materials报道课题组在高效率钙钛矿晶硅叠层上的最新进展
来源: | 作者:Zhou Liu | 发布时间: 2023-11-08 | 700 次浏览 | 分享到:

近日,南京大学谭海仁教授课题组报道了制备高效率钙钛矿/晶硅叠层电池的新进展,相关成果以“Reducing perovskite/C60 interface losses via sequential interface engineering for efficient perovskite/silicon tandem solar cell”为题,发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》。

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池已成为实现高效光伏器件的有效途径,其理论极限效率超过43%且近期报导的1 cm2 的钙钛矿/晶硅叠层电池认证的光电转换效率达到33.9%。然而,最佳带隙为1.65-1.70 eV的宽带隙(WBG)钙钛矿顶电池在实际应用中仍面临严重的非辐射复合和载流子输运损耗带来的重大挑战。与常规带隙的钙钛矿电池器件相比,宽钙钛矿的光吸收层和电子传输层(C60)之间界面处不利的能级排列和高缺陷密度在宽带隙钙钛矿电池中尤为突出,导致额外的开路电压和填充因子损失。

为了减少宽钙钛矿的光吸收层和电子传输层(C60)之间的非辐射复合损失,现有报导的工作主要集中在了通过一步法进行表面钝化的策略上。这些方法中主要涉及的有引入长链的有机胺类化合物进行表面处理,常用的有烷基胺钝化剂,包括碘化油铵(OLAI)、苯乙基碘化铵、1,4-丁二铵碘化物(BDAI)和碘化胍(GAI),此类铵盐多数能形成调节表面能级和钝化表面缺陷的二维/三维钙钛矿异质结。虽然此类添加剂有效,但在钙钛矿与C60的界面仍然存在着显著的非辐射复合,这限制了此类材料的钝化效果。此外,插入偶极层(如LiF)或间隔物层(如MgFx)的策略也有助于减少非辐射复合损失,这些插入层通过钙钛矿的表面极化以及隔开钙钛矿与C60接触距离的方式减少了富勒烯和钙钛矿之间的非辐射复合损失。然而,当层间厚度超过1 nm时,将阻碍电荷传输,使得沉积过程需要精确控制。

为了克服这些限制,我们提出了一种新颖且高效的两步顺序钝化策略,使用乙二胺二碘化物(EDAI2)和4-氟代苯乙胺氯化物(4F-PEACl)进行顺序沉积。此后处理过程中,EDAI2用作改性层以缩小钙钛矿和C60之间的导带偏移,而4F-PEACl充当正偶极层以进一步减少复合损失。这种连续的后处理协同消除了在钙钛矿和C60界面之间的非辐射损失,而不影响电荷提取。我们1.67 eV的宽带隙钙钛矿获得了1.262 V的VOC与21.8%的光电转化效率。通过与具有亚微米金字塔的双绒面晶硅电池集成,我们制备了效率可达29.6%,面积达到1 cm2的钙钛矿/晶硅叠层电池(经认证的稳态输出效率为29.0% ,开路电压为1.946 V)。


图1. (a) EDA2+和4F-PEA+后处理后的器件结构示意图。(b)在glass/ITO/NiO/SAM衬底上沉积的不同钙钛矿薄膜的表面SEM图像和(c) XRD图谱。(d)不同钙钛矿膜和C60层的能级排列图。(e)不同钙钛矿薄膜结构的TRPL图。

图2. (a) 20个不同类型的单结钙钛矿太阳能电池的统计光伏参数(0.049 cm2)。不同后处理器件的(b) J-V曲线和(c)EQE光谱曲线。(d) 使用4线标准和分离四线法测试的J-V曲线图,赝J-V曲线以及模拟计算的大面积(1.044cm2)器件设置串阻为(Rs=0)时钙钛矿太阳能电池的J-V曲线图。

图3. (a)glass/ITO/NiO/SAM上沉积的钙钛矿薄膜的PL光谱图(a)不含和(b)含有C60层。(c) 无C60和有C60的galss/ITO/NiO/SAM上沉积的薄膜的准费米能级分裂(QFLS)。(d)钙钛矿器件的电致发光光谱图。(e)从变光强VOC测试中获得的所研究器件的赝JV曲线。(f)计算出的FF损耗汇总,包括器件的非辐射复合损耗和传输损耗。

图4. (a)钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池示意图。(b) 叠层电池的正面p(顶部)和背面(底部)的截面SEM图像。(c)不同器件的PCE分布统计图。(d)参照与最优叠层太阳能电池的J-V曲线图。(e) 叠层电池的EQE光谱和相应的积分电流。(f)最佳叠层电池的稳态输出曲线。


南京大学特任副研究员刘洲,天合光能研究员李红江,博士生储子敬,天合光能研究员夏瑞为共同一作;南京大学博士生闻瑾,天合光能董事长高纪凡,南京大学现代工学院谭海仁教授为共同通讯。本研究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,中央高校基础研究基金,江苏省创新人才创业计划,中国博士后基金,江苏省博士后基金,常州市科技支撑计划(产业)项目等项目的资助和支持。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/adma.202308370