Science：通过优化带隙的钙钛矿-钙钛矿叠层太阳能电池

【引言】

金属卤化物钙钛矿材料（ABX₃，典型的A为Cs、MA、FA，B为Pb、Sn，X为I、Br、Cl）以其快速提高的光电转换效率和低廉的制备成本，已经成为极具前景的光伏技术。单结钙钛矿太阳能电池器件的认证效率为22%，但是钙钛矿电池的商业化将可能作为硅太阳能电池的“补充”。在叠层构造中，带隙为1.75eV的钙钛矿能够提高硅电池的效率，所有的叠层钙钛矿太阳能电池具有更低的制备成本，但是合适的材料带隙匹配还未能实现。最高效的叠层器件要求背电池的带隙为0.9-1.2eV，前电池的带隙为1.7-1.9eV。虽然像FA_0.83Cs _0.17Pb(I_xBr_1-x)₃等材料的带隙能够满足前电池的要求，但是铅基材料的带隙无法调节到满足背电池要求的1.48eV以下。用Sn完全取代Pb后的带隙能够达到1.3eV，然而锡基材料对空气极度敏感而且制备困难，所以这类器件的效率被限制在6%左右。因此，如何通过优化带隙匹配，既能分别满足前电池和背电池的带隙要求又可以稳定存在，便成叠层太阳能电池的关键所在。

【成果简介】

在本篇报道中，英国牛津大学的Henry J. Snaith和美国斯坦福大学的Michael D. McGehee（共同通讯作者）的团队以理想的匹配带隙，制备出了四端和两端钙钛矿-钙钛矿叠层太阳能电池。该团队开发了一个能够吸收红外光、带隙为1.2eV的钙钛矿材料FA_0.75Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃，这能够获得14.8%的效率。将该材料与宽带隙的FA_0.83Cs_0.17Pb(I_0.5Br_0.5)₃材料相结合，单片两端叠层效率达到了17%，超过1.65V的开路电压。同时他们也机械地堆叠了四端叠层电池，并获得20.3%的效率。至关重要的是他们发现，他们开发的吸收红外的钙钛矿电池表现出优异的热稳定性和空气稳定性。在长时间和低制备成本下，这个器件结构和材料设置将会使得“所有的钙钛矿”薄膜太阳能电池达到最高的效率。

【图文导读】

图1、Sn-Pb合金

a,SEM图展示了不同Sn浓度的FASn_xPb_1-xI₃的上表面，以及通过PAI沉积的方法制备的FA₇₅Cs_0.25Pb_0.5Sn_0.5I₃。0%Sn的膜在170℃下退火，其他膜在70℃下加热。

b,以Sn%为自变量的实验估计带隙图，取决于吸收（黑色）的吸收边（假设是直接带隙）。红色的位置是荧光（PL）峰。

c,采用一个包含八个BX6八面体的超晶胞，通过第一性原理计算的Pb-Sn合金钙钛矿，Pb、Sn原子相对有序。描点表示某一组成的所有可能带隙，这是基于Pb、Sn的所有可能组态。实线连接了所有最低带隙点，以便于与实验比较。

图2、 FASn_0.5Pb_0.5I₃ 和FA_0.75Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃ 钙钛矿太阳能电池的性能与稳定性

a,窄带隙单节钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图。

b,在5G照射下，最好的FASn_0.5Pb_0.5I₃和FA_0.75Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃ 的电流电压特性。没有预置偏压或光照下在0.1v/s测试，实线为有光照射，虚线为黑暗情况下。

c,通过最大功率点跟踪算法测量出的最佳太阳能电池的稳定功率输出。

d,每一种材料最佳器件的外量子系数，这提供了JV扫描Jsc的很好匹配。

e,三种组成FASn_xPb_1-xI₃(x=0, 0.5, 1)以及  FA₇₅Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃ 电池在空气中、AM1.5G照射、最大功率点下测量，得到PCE的时间函数。

f,FASn₅Pb_0.5I₃和FA_0.75Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃膜的热稳定性，这通过在100°C加热样品，并监测其在900 nm处的吸收的时间函数。

图3、钙钛矿-钙钛矿的叠层

a,该图展示了两端和四端叠层钙钛矿太阳能电池的概念。在这张图中光从下照到器件。

b,两端钙钛矿-钙钛矿叠层的横截面SEM图。

c,在5G照射下，两端钙钛矿-钙钛矿叠层电池、1.2eV太阳能电池、涂覆1.8eV太阳能电池的ITO的电流电压特性。

d,次级电池的外量子系数谱。

e,分别为2eV钙钛矿、1.2eV-1.6eV钙钛矿叠层太阳能电池、ITO上1.6eV钙钛矿太阳能电池的J-V曲线，这用于确定机械叠层的效率。

f,机械叠层外量子效率谱。

g,在5G照射下、最大功率点上，两端钙钛矿太阳能电池、涂覆有1.6eV钙钛矿的ITO过滤的电池、机械堆叠电池的稳定功率输出。

文献链接：Perovskite-perovskite tandem photovoltaics with optimized bandgaps（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf9717）

本文由材料人编辑部电子电工学术组lyh_wv供稿，材料牛编辑整理。

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