最新Science：聚合物钝化PSCs实现填充因子（FF）最高达到0.845

【背景介绍】

自2014年以来，钙钛矿型太阳能电池（PSC）的开路电压（V_oc）、短路电流（J_sc）和填充因子（FF）性能得到大幅提升。其中，V_oc从~1 V稳定增加到~1.2 V，表明了减少非辐射复合的进展，特别是在钙钛矿电荷传输层界面上。已报道的钝化材料包括绝缘和半导体有机材料、无机电介质和低维钙钛矿。研究发现，要实现非常高的FF需要低的复合损耗（高V_oc）；平滑、均匀和致密的活性层（高分流电阻），以及非常有效的电荷提取和传输（低串联电阻）。事实上，V_oc=1.1 V的太阳能电池的理论最大FF约为0.89，远高于目前已报道的最高值。在不妨碍电荷提取的情况下，减少界面复合以实现最大化V_oc和FF是所有高效太阳能电池面临的重要挑战。同时，另一个挑战是在更大的PSCs面积上保持高效率，特别是FF。

【成果简介】

今日，中山大学李俊韬教授、澳大利亚国立大学Kylie R. Catchpole和Kylie R. Catchpole（共同通讯作者）等人报道了一种PSC结构，其中作者利用稀疏的纳米级TiO₂纳米棒阵列取代了常用的介孔TiO₂（meso-TiO₂）电子传输层（ETL）。通过超薄的聚合物钝化层可以有效的钝化产生纳米级图案化ETL-钙钛矿界面，以获得高V_oc，同时保持优异的电荷收集和界面传输性能，从而实现低串联电阻和高FF。在大面积（1 cm²）电池上，其功率转换效率（PCE）达到了21.6%，填充因子（FF）更是达到了0.839。在V_oc=1.240 V，FF=0.845的条件下，一个小面积（~0.165 cm²）电池的PCE竟然达到了~23.17%。作者使用三维（3D）数值模拟研究和解释了纳米结构界面的性能，精确地复制了FF增强和观察到的纳米级图形几何实验趋势。模拟结果表明，TiO₂纳米棒未完全涂覆聚甲基丙烯酸甲酯：PCBM（苯基-C61-丁酸甲酯）钝化材料，使局部低电阻接触的暴露区域直接类似于高效硅太阳能电池中的局部接触结构。通过模拟和实验之间的详细比较，为暴露的纳米棒面积分数和暴露的ETL-钙钛矿界面上复合活性缺陷的密度设定了合理的界限。此外，作者还介绍了一种无离子掺杂的混合空穴传输层（HTL），该层提供了与掺杂替代物类似的电池性能。在85℃和85%相对湿度的条件下，在暴露1000 h后，包含新ETL和HTL组合的封装电池仍然保留了>90%的初始效率。研究成果以题目为“Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells”发表在国际顶级期刊Science上。

【图文速递】

图一、已报道PSCs的性能

图二、纳米结构TiO2 ETL、纳米图形和控制钙钛矿电池光伏参数的统计分布

图三、模拟结果

图四、在1 cm²钙钛矿电池上的器件性能和长期稳定性实验

文献链接：Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells (Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abb8687)

本文由CQR编译。

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