北京理工大学钙钛矿最新Science

杂化卤化物钙钛矿的快速研究进展为开发下一代光伏器件开辟了几种途径。凭借其理想的光电特性，单结太阳能电池的功率转换效率(PCE)已达到26.1%。将钙钛矿吸收剂集成到晶体硅电池上，构建钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池(PST)，可以进一步利用硅电池的工业优势，并为钙钛矿太阳能电池的市场渗透提供捷径。最近，单片PST的认证PCE达到33.9%，但其长期运行稳定性仍是一个问题。PST在顶电池中使用WBG钙钛矿，以实现太阳光谱的高效利用，降低热弛豫损失。常用的WBG钙钛矿带隙在1.65至1.7 eV之间，组分通常含有混合阳离子与卤素离子。然而，这些组合物结晶度差，织构弱，晶粒取向多，各种晶面在面外方向暴露。较差的晶体质量导致更多的离子迁移通道，并且即使在钝化后，不同侧面的不同末端也会加速晶体的降解。因此，在连续照明下，WBG吸收膜中会发生离子迁移和相分离，影响了叠层电池的长期稳定性，从而缩短器件寿命。改善WBG钙钛矿薄膜需要对结晶过程进行更精确的控制，通过提高WBG钙钛矿薄膜的晶体质量，可以有效抑制离子迁移和相分离，从而延长器件使用寿命。

薄膜生长通常从核开始，在决定最终薄膜性能方面起着重要作用。通过引入甲基氯化铵或挥发性烷基铵盐，3C钙钛矿的快速成核指导了随后的晶体生长。然而，较小的甲胺氯化物添加剂（如甲脒碘化铅）对混合卤化物成分无效。虽然大多数的努力都集中在结晶的精细控制上，但对原子核的控制却关注有限，特别是相和组成。

近日，北京理工大学陈棋教授，陈怡华助理教授和北京耀能科技有限公司吴颐良博士等人在Science期刊上发表了题为“Nuclei engineering for even halide distribution in stable perovskite/silicon tandem solar cells”的研究论文。该项研究使用碘化铵来稳定所需的晶核，并使用真空淬火来控制表面张力。通过在形成任何富含溴的聚集体和3H相之前对2C相成核，来控制对成分不敏感的 WBG膜生长。由此产生的WBG吸收剂显示出更高的结晶度和坚固的质地，抑制了非辐射复合，并增强了对各种老化应力的抵抗力。其中，钙钛矿/硅叠层太阳能电池在25 cm²的有效区域内实现29.4%的功率转换效率（第三方评估为28.8%），在1 cm²的有效区域内实现32.5%的功率转换效率。此外，这些太阳能电池在25°和50°C下分别运行1301小时和800小时后，在最大功率点（AM 1.5G照明，全光谱，1-太阳）封装时保持了98.3%和90%的原始效率。

图1不同WBG吸收材料的晶体学和光电子特性© 2024 AAAS

图2 WBG吸收体晶核工程的实验研究© 2024 AAAS

图3 1cm²和25cm² PST电池的光伏性能© 2024 AAAS

图4 WBG吸光层在老化应力下的稳定性© 2024 AAAS

该项研究演示了晶核工程，通过将普遍存在卤化物分布均匀的3C相核成核到富Br和2H相核，制备出具有高晶体质量的卤化物和阳离子混合WBG钙钛矿薄膜。该策略适用于五种广泛使用的WBG吸收剂。优异的结晶度和强织构降低了非辐射复合损失，抑制了离子迁移和相分离。所得的WBG钙钛矿薄膜表现出优异的光电学性能。基于该吸光层，该项研究在晶硅异质结（SHJ）底电池上制备了两端PST，1平方厘米器件效率达32.5%（第三方评估为32.0%），25平方厘米器件效率为29.4%（第三方评估为28.9%）。该薄膜也具有良好的光热稳定性。光老化200小时后，薄膜的PL波长漂移得到显著抑制。85°C热老化831小时后，薄膜的XRD信号与初始状态保持一致，晶体质量保持良好。器件封装后在1个太阳的辐照条件下进行最大功率点跟踪测试，在常温下1301小时后保持了初始效率的98.3%，在50°C下800小时后保持了初始效率的90%。此外，器件也展现出在临近空间等极端环境应用的可能性。封装后的器件在全谱光照、245 K、5 kPa低气压下运行56小时后，依然保留了初始效率的90.4%。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9104

本文由小艺撰稿