摘要

鈣鈦礦-硅疊層太陽(yáng)能電池是下一代光伏技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，有望取代目前市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的單結(jié)硅電池。然而，為了證明在硅電池上添加鈣鈦礦電池的額外成本是合理的，這些器件首先應(yīng)該表現(xiàn)出足夠高的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE)。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的 Christophe Ballif 教授團(tuán)隊(duì)在 Joule 期刊發(fā)表了最新研究成果，展示了兩種關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)，將平面硅片鈣鈦礦-晶硅疊層太陽(yáng)能電池的 PCE 提升至 30 ± 1%，并獲得了 30.9% 的認(rèn)證高效率。研究人員通過(guò)在鈣鈦礦前驅(qū)體油墨中添加五氟芐基膦酸 (pFBPA) 以及在鈣鈦礦薄膜和空穴傳輸層 (HTL) 之間引入二氧化硅 (SiO2) 納米顆粒 (NPs) 中間層，成功地減少了界面缺陷和非輻射復(fù)合，顯著提升了器件的效率和穩(wěn)定性。

本研究推薦使用設(shè)備
SS-PST100R AM1.5G 可變標(biāo)準(zhǔn)光譜模擬光源高效率新型疊層太陽(yáng)能電池精準(zhǔn)效率測(cè)量
QE-R PV/太陽(yáng)能電池量子效率測(cè)量系統(tǒng)

研究背景與核心概念

目前商用光伏技術(shù)主要集中在單結(jié)太陽(yáng)能電池，其中晶體硅 (Si) 是主要的吸光材料選擇。然而，單結(jié)晶硅電池的 PCE 存在物理極限，略高于 29%，這與目前晶硅電池 (27.1%) 相差不遠(yuǎn)。為了突破這個(gè)極限并降低太陽(yáng)能發(fā)電成本，一種方法是使用具有更高帶隙的額外吸光材料來(lái)減少熱損失，更有效地利用太陽(yáng)光譜。在硅上使用帶隙約為 1.6 至 1.7 eV 的吸光材料 (晶硅的帶隙為 1.1 eV)，理論上可以將 PCE 極限從約 29% 提高到 40% 以上。在這方面，具有可調(diào)帶隙、制造成本相對(duì)較低和光電性能優(yōu)異的鈣鈦礦吸光材料非常適合與晶硅結(jié)合使用。然而，為了證明在晶硅電池上添加鈣鈦礦電池的額外成本是合理的，疊層器件應(yīng)同時(shí)表現(xiàn)出高 PCE 和良好的工作穩(wěn)定性。

研究方法與主要發(fā)現(xiàn)

該研究提出了兩種關(guān)鍵技術(shù)，它們具有協(xié)同效應(yīng)，可以將鈣鈦礦-硅疊層太陽(yáng)能電池 (在正面平面硅片上旋涂鈣鈦礦薄膜) 的 PCE 可靠地提高到 30 ± 1%。

l 第一項(xiàng)技術(shù)是使用五氟芐基膦酸 (pFBPA) 作為鈣鈦礦 (Cs0.05[FA0.9MA0.1]0.95Pb[I0.8Br0.2]3) 前驅(qū)體油墨中的添加劑，以消除與鉛相關(guān)的缺陷和鈣鈦礦/C60 界面附近的非輻射復(fù)合，從而提高器件的開路電壓 (Voc) 和填充因子 (FF)，值得注意的是，無(wú)需額外的鈍化層。

l 第二項(xiàng)技術(shù)主要增強(qiáng) FF，包括使用稀疏涂覆的二氧化硅 (SiO2) 納米顆粒 (NPs) 作為鈣鈦礦和空穴傳輸層 (HTL) 之間的中間層，通過(guò)改善表面潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)高性能 [4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸 (Me-4PACz) 的可重復(fù)使用，同時(shí)改善 pFBPA 導(dǎo)致的鈣鈦礦薄膜質(zhì)量下降。

研究結(jié)果與討論

3.1 pFBPA 增強(qiáng)頂電池性能

研究發(fā)現(xiàn)，pFBPA 可以有效地鈍化鈣鈦礦/C60 界面處的缺陷，并抑制非輻射復(fù)合，從而提高器件的 Voc 和 FF。Fig. S1 和 Fig. S2 分別展示了在光照和黑暗條件下，添加 pFBPA 對(duì)單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的影響?？梢钥闯?，pFBPA 的添加可以顯著提高器件的 Voc、FF 和 PCE，并且可以有效地抑制光照引起的性能衰減。

Fig. S3 展示了不同濃度的 pFBPA 對(duì)器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) pFBPA 濃度為 5 mM 時(shí)，器件的性能最佳。

3.2 SiO2 納米顆粒提升薄膜質(zhì)量

為了解決 pFBPA 導(dǎo)致的鈣鈦礦薄膜質(zhì)量下降問(wèn)題，該研究引入了 SiO2 納米顆粒 (NPs) 作為鈣鈦礦和空穴傳輸層 (HTL) 之間的中間層。SiO2 NPs 具有良好的潤(rùn)濕性，可以改善鈣鈦礦薄膜的表面形貌，減少針孔和分流的形成。Fig. S9 展示了不同濃度的 SiO2 NPs 對(duì)基底表面形貌的影響，可以看出，SiO2 NPs 可以有效地提高基底表面的平整度。Fig. S10 展示了 SiO2 NPs 對(duì) Me-4PACz 表面潤(rùn)濕性的影響，可以看出，SiO2 NPs 可以有效地改善 Me-4PACz 在鈣鈦礦表面的鋪展性，形成更加均勻的薄膜。

Fig. S11 展示了不同濃度的 SiO2 NPs 對(duì)器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) SiO2 NPs 濃度為 0.2 wt% 時(shí)，器件的性能最佳。

3.3 協(xié)同效應(yīng)助力高效疊層電池

將 pFBPA 和 SiO2 NPs 結(jié)合使用，可以充分發(fā)揮它們的協(xié)同效應(yīng)，制備出高效穩(wěn)定的鈣鈦礦-晶硅疊層太陽(yáng)能電池。pFBPA 鈍化鈣鈦礦/C60 界面缺陷，提高 Voc 和 FF，而 SiO2 NPs 改善薄膜質(zhì)量，進(jìn)一步提升 FF。最終，該研究實(shí)現(xiàn)了 30 ± 1% 的可重復(fù) PCE，并獲得了 30.9% 的認(rèn)證高效率 (Fig. S21)。

結(jié)論與展望

該研究提出的協(xié)同基底和添加劑工程策略為制備高效穩(wěn)定的鈣鈦礦-硅疊層太陽(yáng)能電池提供了新思路，并為推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。未來(lái)，可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化材料和器件結(jié)構(gòu)，以及結(jié)合其他界面工程策略，進(jìn)一步提升疊層電池的效率和穩(wěn)定性。

本文參數(shù)圖:

Fig. 3_ (F)展示兩種太陽(yáng)能電池材料——鈣鈦礦（Perovskite）和晶硅（Si）的外量子效率（EQE）與波長(zhǎng)關(guān)系的圖表。

·      鈣鈦礦的EQE曲線以藍(lán)色表示，峰值接近80%，并在大約800nm的波長(zhǎng)處開始下降。

·      晶硅的EQE曲線以紅色表示，峰值略低于鈣鈦礦，且在大約1100nm的波長(zhǎng)處迅速下降。

·      圖中還標(biāo)注了兩種材料的電流密度，鈣鈦礦為20.52 mA/cm220.52 mA/cm2，晶硅為19.92 mA/cm219.92 mA/cm2。

此張圖表可以用來(lái)比較不同材料在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中的性能，特別是在不同波長(zhǎng)下的光電轉(zhuǎn)換效率。

Fig.S33_電流密度與電壓特性以及串聯(lián)器件性能參數(shù)的示例

裝置在制造完成后（即初始階段）和在充滿氮?dú)獾氖痔紫渲邪挡匾荒旰鬁y(cè)量的性能參數(shù)。

Fig.S35_圖 3h 所示的串聯(lián)設(shè)備電流密度與電壓特性示例

在第三個(gè)周期的 12 小時(shí)內(nèi)（即從第 24 小時(shí)到第 36 小時(shí)）跟蹤 MPP 前后的電流密度與電壓特性。

原文出處: JOULE 

推薦設(shè)備_

1.      SS-PST100R AM1.5G 可變標(biāo)準(zhǔn)光譜模擬光源高效率新型疊層太陽(yáng)能電池精準(zhǔn)效率測(cè)量的伙伴

l高精度光譜匹配: 光譜匹配度: 對(duì)於光伏器件的研究和生產(chǎn)，光譜匹配度至關(guān)重要。SS-PST100R 採(cǎi)用高品質(zhì)光源和精密光學(xué)設(shè)計(jì)，能夠精確模擬 AM 1.5G 太陽(yáng)光譜，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性及光譜匹配度 (A 級(jí)) 符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

l均勻照射: 照射不均勻會(huì)導(dǎo)致器件不同區(qū)域的測(cè)試結(jié)果存在差異，影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。SS-PST100R 的光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，能夠在照射區(qū)域內(nèi)提供高度均勻的光照，有效降低邊緣效應(yīng)，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

l穩(wěn)定輸出: SS-PST100R 採(cǎi)用穩(wěn)定的光源和電源系統(tǒng)，能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的光輸出，確保測(cè)試結(jié)果的可靠性和可重複性。

l多功能性: SS-PST100R 可選配多種配件，以滿足不同測(cè)試需求。其光源和各個(gè)部件具有較長(zhǎng)的使用壽命，以降低使用成本。

l易於操作: SS-PST100R 採(cǎi)用人性化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單方便，即使是新手用戶也能輕鬆上手。光焱科技亦能夠提供及時(shí)的技術(shù)和維修服務(wù)，以確保設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.   QE-R_世界上流行和值得信賴的 QE / IPCE 系統(tǒng)

具有以下特色優(yōu)勢(shì)：

l高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準(zhǔn)光源，確保 EQE 測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

l寬光譜范圍: QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測(cè)量。

l快速測(cè)量: QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進(jìn)行 EQE 光譜測(cè)量。

l易于操作: QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，即使是初學(xué)者也能輕松上手。

l多功能: QE-R 系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行 EQE 測(cè)量，還可以進(jìn)行反射率、透射率等光學(xué)特性的測(cè)量，具有多功能性。