电子科大刘明侦Adv. Mater.：28.84%认证效率，全绒面、兼容产线的钙钛矿/硅基两端叠层太阳能电池

引言

钙钛矿作为一种低成本的新型高性能光伏材料，可以和传统硅基材料构筑叠层电池结构从而优化光吸收性能，提高太阳能电池的功率转换效率。目前，高性能钙钛矿/硅基叠层电池为了兼容亚微米级钙钛矿顶电池的溶液法制备，需要对现有异质结硅基底电池的硅片工艺、厚度、绒面尺寸、复合层材料等作出一定的额外加工处理。比如采用抛光硅基底电池以兼容溶液法工艺，增加硅片厚度以弥补近红外波段吸收不足，使用微晶硅隧穿结替代传统ITO以减少大绒面上钙钛矿子电池漏电等。这些额外后处理工艺不可避免增加了高效叠层电池的材料与工艺低成本。目前产线兼容的大绒面钙钛矿/硅基叠层太阳能电池最高认证效率仅25.2%，与平面、微绒面叠层太阳能电池效率仍然存在较大差距。如何直接利用现有商业化大绒面硅基电池制备高效率叠层太阳能电池器件是当前亟待解决的重要难题。

成果简介

近日，Advanced Materials发表题为“接近29%效率的全绒面产线兼容钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池” (Fully textured, production-line compatible monolithic perovskite/silicon tandem solar cells approaching 29% efficiency) 的研究论文，通讯作者为电子科技大学材料与能源学院的刘明侦教授和中科院上海微系统与信息技术研究所刘正新研究员。电子科技大学材料与能源学院博士后毛霖、博士生张浩及中国工程物理研究院博士生杨田为共同第一作者。

本文亮点：

在本工作中，作者提出了一种纳米级超薄NiO_x/2PACz复合空穴传输层的保形制备策略，解决了在商业微米级粗糙硅表面（陷光金字塔结构平均尺寸2~5 μm）制备纳米级超薄电荷传输层与钙钛矿薄膜的技术难题，实现了能与产线上晶体硅电池兼容制备的钙钛矿/硅基两端叠层太阳能电池器件，第三方认证效率达到28.84%，是目前为止国内外文献报道的产线兼容的钙钛矿/硅基两端叠层太阳能电池的最高认证效率。该工作解决了现有产线硅基电池需要抛光、微制绒等额外处理才能实现高效叠层太阳能电池的技术瓶颈，推动了钙钛矿/硅基叠层太阳能电池的低成本产业化发展。

图文导读

图1复合空穴传输层/钙钛矿薄膜的制备

在绒面硅基底电池的ITO表面依次采用磁控溅射、旋涂的方法制备氧化镍和自组装层。然后采用气相/溶液两步法，先蒸镀一层碘化铅前驱体层，然后与混合阳离子溶液接触，加热反应生成钙钛矿。空穴传输层和钙钛矿层均能在大尺寸绒面上形成良好的保形覆盖。

图1. 在异质结硅基底电池上制备空穴传输层和钙钛矿层工艺流程示意图。

图2、3 复合空穴传输层的优点

纳米级超薄NiO_x/2PACz的复合空穴传输层的优势：磁控溅射制备的NiO_x中间层增强了2PACz分子的化学吸附作用（图2-c），DFT计算结果表明ITO上2PACz分子的吸附能为-0.79eV，而在ITO/NiO_x上2PACz分子的吸附能提升到-3.28eV（图2-d），化学吸附能的增加提升了2PACz在NiO_x薄膜上的致密性与均匀性（图2-c），降低了ITO和钙钛矿层之间的直接接触几率，有效解决了大绒面硅表面超薄空穴传输层难以均匀覆盖而造成的漏电损耗。2PACz分子一方面调控了NiO_x表面的亲疏水性质，增大了钙钛矿薄膜晶体质量，提升了载流子寿命（图2-e和图3-e、3-f）；另一方面显著优化了NiO_x表面的功函数，提升了载流子的界面输运性质（图3-a、3-b）。

图2. （a）NiO_x和2PACz修饰过后NiO_x表面的X射线光电子能谱Ni2p和O1sg轨道区域分析；（b）2PACz在NiO_x表面结合原理示意图；（c）NiO_x和ITO表面、NiO_x和ITO表面旋涂2PACz、NiO_x和ITO表面旋涂2PACz再用乙醇清洗后的X射线光电子能谱P2p轨道区域分析；（d）基于密度泛函理论计算进行的2PACz与ITO表面和NiO_x表面的羟基结合情况的模拟；（e）在ITO/NiO_x、ITO/2PACz、ITO/NiO_x/2PACz表面制备钙钛矿薄膜的表面和横截面的扫描电子显微镜图；（f）水滴在ITO/NiO_x、ITO/2PACz、ITO/NiO_x/2PACz三种表面形成液滴的侧面照片和接触角。

图3. （a）ITO 、ITO/2PACz、NiO_x和NiO_x/2PACz四种表面的紫外光电子能谱图；（b）通过计算得到的NiO_x、2PACz、NiO_x/2PACz和钙钛矿的能级分布图；（c）ITO 、ITO/2PACz、NiO_x和NiO_x/2PACz四种表面的电势分布统计图；（d）ITO/2PACz和NiO_x/2PACz表面的形貌和电势分布图，图例长度为2微米；（e）NiO_x和NiO_x/2PACz表面的钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光光谱衰减图；（f）开路情况下钙钛矿在不同空穴传输层表面激发光致发光衰减的载流子行为的示意图。

图4、5 单结和叠层电池性能

基于复合空穴传输层制备的单结和叠层器件都展示了优于单独氧化镍和单独2PACz的光伏性能。其中叠层电池的认证效率达到了28.84%（图5g），这是目前基于产线上大绒面硅基底电池构筑的钙钛矿/硅基叠层电池的最高认证效率。该工作采用完全可商用化硅基底电池，并未对底电池结构做出额外后加工处理；并且制备钙钛矿及相关功能层的工艺均可适配大面积、大规模工业生产。该工作将推动钙钛矿/硅叠层技术的产业化。

图4.（a）采用NiO_x/2PACz作为空穴传输层并采用蒸镀-溶液法工艺制备钙钛矿薄膜的单结钙钛矿器件示意图；（b）基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三种空穴传输层的钙钛矿单结电池的最优化电流密度-电压曲线以及光伏性能参数；（c）基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三种空穴传输层的钙钛矿单结电池的光伏性能参数分布统计；基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三种空穴传输层的钙钛矿单结电池的莫特肖特基曲线（d）以及开路电压-光强曲线。

图5. （a）产线兼容的钙钛矿/硅基叠层太阳能电池器件结构示意图；（b）钙钛矿/硅基叠层电池截面扫描电子显微镜图；（c）钙钛矿/硅基叠层电池器件实物的正面、背面照片；（d）基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三种空穴传输层的钙钛矿/硅基叠层电池的最优化电流密度-电压曲线以及光伏性能参数；（e）冠军效率电池器件的正反扫电流密度-电压曲线以及外量子效率图；（f）基于NiO_x、2PACz和NiO_x/2PACz三种空穴传输层的钙钛矿/硅基叠层电池的光伏性能参数分布统计；（g）第三方测试机构——中国测试技术研究院的认证效率。
总结与展望

本工作针对在商业微米级粗糙度硅底电池表面制备纳米级超薄电荷传输层与钙钛矿薄膜的技术难题，通过低温磁控溅射与分子自组装技术设计了纳米级超薄NiO_x/2PACz的复合空穴传输层结构。其中NiO_x中间层增强了2PACz分子的化学吸附作用。2PACz一方面调控了NiO_x表面的亲疏水性质，增大了钙钛矿薄膜晶体质量，提升了载流子寿命；另一方面显著优化了NiO_x表面的功函数，提升了载流子的界面输运性质。最终实现了认证效率接近29%的钙钛矿/硅基叠层器件，是目前为止国内外文献报道的产线兼容的钙钛矿/硅基两端叠层太阳能电池的最高认证效率。本研究成果，一方面解决了现有产线硅基电池需要抛光、微制绒等额外处理才能实现高效叠层太阳能电池的技术瓶颈，推动了钙钛矿/硅基叠层太阳能电池的低成本产业化发展；另一方面，气相沉积等工业化技术的应用也为高效钙钛矿/硅基叠层电池大面积化、规模化制备提供了技术支撑。

原文：

Fully Textured, Production-line Compatible Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Approaching 29% Efficiency

Lin Mao, Tian Yang, Hao Zhang, Jianhua Shi, Yuchao Hu, Peng Zeng, Faming Li, Jue Gong, Xiaoyu Fang, Yinqing Sun, Xiaochun Liu, Junlin Du, Anjun Han, Liping Zhang, Wenzhu Liu, Fanying Meng, Xudong Cui, Zhengxin Liu, Mingzhen Liu

Advanced Materials, 2022, DOI: 10.1002/adma.202206193

Publication date: 19 August 2022