Science：高性能钙钛矿-硅串联太阳能电池的界面工程

一、【导读】

  串联太阳能电池由硅电池覆以钙钛矿太阳能电池(PSC)组成，可以提高商业批量生产的太阳能电池的效率，并且可以超过单结电池的限制，而不增加实质性的成本。目前，钙钛矿/CIGSe串联电池的功率转换效率达到24.2%，全钙钛矿串联电池达到24.8%，钙钛矿/硅串联效率最高值则为26.2%。然而，这些以钙钛矿为基础的串联太阳能电池仍然有改进的空间，因为所有这些串联技术的实际限制都远高于30%。

        钙钛矿-硅串联太阳能电池，能够克服传统硅太阳能电池功率转换效率限制的可能性。为了提高光学性能，科学家已经提出了各种结构串联器件，但优化表面结构晶圆上的薄膜生长，仍然是一个挑战。

二、【成果掠影】

        德国柏林工业大学的Steve Albrecht团队，证明了双端子单片钙钛矿-硅串联太阳能电池的改进的稳定性和效率，需要减少复合损耗。通过将三卤化物钙钛矿（1.68 eV带隙）与哌嗪碘化物界面改性相结合，改进了能带对准，降低了非辐射复合损失，并增强了在电子选择性接触处的电荷提取。特定的钙钛矿组成（3 Hal）和PI浓度（0.3mg ml^-1）下，PI的主要作用不是钙钛矿表面的化学钝化，而是允许导带（CB）和最低未占据分子轨道之间的偏移显著降低（约350 mV）。因此，电子的准费米能级可以移动得更靠近钙钛矿CB边缘。此外，从电荷分离的角度来看，表面光电压测量显示在PI的存在下，在钙钛矿表面的电子选择性增加，这与已报道的PI在钙钛矿表面上的工作机制不同。太阳能电池在p-i-n单结中显示出高达1.28V的开路电压，在钙钛矿-硅串联太阳能电池中显示出高达2.00 V的开路电压。串联电池实现了高达32.5%的认证功率转换效率。该项工作以标题为：“Interface engineering for high-performance, triple-halide perovskite–silicon tandem solar cells”发表在Science上。

三、【核心创新点】

1. 将具有适合于串联集成的带隙（68 eV）的3Hal钙钛矿与PI界面改性相结合，并将其与常用的氟化锂（LiF）中间层进行比较。
2. 应用钙钛矿价带顶（VBM）的详细模型结合功函数（WF）来精确地确定电离能，从而评估界面改性的可能偶极效应。

四、【数据概览】

图1  具有表面处理和电荷传输层的3Hal钙钛矿薄膜的电子性质 ©2023 AAAS

图2 3Hal膜的性质和具有和不具有表面处理的单结太阳能电池的性能 ©2023 AAAS

图3  优化钙钛矿硅叠层太阳电池的性能 ©2023 AAAS

五、【成果启示】

        目前光伏（PV）器件市场由晶体硅（c-Si）器件主导，但是钙钛矿-硅串联结构还需要提高其功率转换效率（PCE）。直接连接c-Si底电池和钙钛矿顶电池的双端子器件更有效地使用光，因为高能量光子可以被钙钛矿顶电池吸收，并且由钙钛矿透射的低能量光子可以被c-Si底电池吸收，这种方法的PCE为33.7%。然而，考虑到单片钙钛矿-硅串联晶体的详细平衡极限为45.1%，可以进行进一步的改进，特别是关于开路电压（VOC）。为了在空气质量系数（AM）1.5G太阳光谱和电流匹配条件下达到最高可能的效率，钙钛矿的最佳带隙为1.73eV。有限的钙钛矿厚度和寄生吸收将最佳钙钛矿带隙降低至~ 1.68eV。具有该带隙的钙钛矿组合物需要高溴化物含量，并且面临由相偏析引起的不稳定性，这导致VOC下降。为了解决这个问题，将有效的钙钛矿组合物与界面改性相结合。彻底的分析揭示了导致单结太阳能电池和钙钛矿-硅串联太阳能电池中的高VOC值和因此的高PCE值的机制。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5872