香港理工李刚&UCLA杨阳Nature Energy: 认证效率25.1%的钙钛矿/有机串联太阳能电池

钙钛矿 / 有机串联太阳能电池（ POTSC ）具有成本效益、更容易制造、使用正交溶剂、提高子电池稳定性、低温处理和更好的灵活性等优势，但在开发上仍落后于目前的钙钛矿 /c-Si （ 33.9% ）和全钙钛矿（ 29.4% ） TSC 。目前，具有 p–i–n 结构的富含溴的混合阳离子基 POTSC 处于领先地位，其 PCE 高达 25.82% （经认证为 25.06% ）。

鉴于最先进的有机太阳能电池 (OSC) 的带隙约为 1.33 eV ，理论上理想的搭配是带隙约为 1.9 eV 的宽带隙 (WBG) 钙钛矿，全无机 CsPbI ₂ Br 完全满足这一标准。与富含溴的混合 WBG 钙钛矿相比，这些钙钛矿具有出色的热稳定性、简单的成分、无反溶剂加工和减少的相偏析。然而， CsPbI ₂ Br 钙钛矿太阳能电池 (PSC) 仍然存在挑战，例如不合适的相变、不必要的结晶、埋藏的针孔、高缺陷密度和不良的能量排列，导致显著的电压损失和限制效率至 24% 。 WBG CsPbI ₂ Br 钙钛矿中的电压损失与相不稳定性、缺陷陷阱和不良的底部接触界面有关。这些问题导致不良的能量排列和严重的界面复合，导致低质量的晶体生长。底部界面接触充当缺陷库，威胁 PSC 的长期稳定性。解决不良能量排列和界面陷阱态对于最小化电压缺陷、最大化性能和确保单结 PSC 和 POTSC 的稳定性至关重要。由于导带最小值偏移和独特的缺陷特性，中等带隙（ <1.6 eV ）的常见底部电子传输层 (ETL) 接触在 WBG CsPbI ₂ Br PSC 中无效，导致不良能量排列和低效缺陷钝化。

香港理工大学李刚教授、加州大学洛杉矶分校杨阳教授、任志伟等研究人员 结合实验和理论方法，实现了底部接触调制的合理设计，并阐明了界面诱导不稳定性问题的潜在机制。开发了一种酸性掺杂镁的氧化锡量子点 (M-SQDs) 墨水，用于在 WBG CsPbI ₂ Br PSCs 中有效调节底部接触。这种工程界面改善了能带排列，钝化了缺陷，增强了钙钛矿薄膜的生长并降低了不稳定性。利用这种方法，实现了 CsPbI ₂ Br PSC 的高 PCE 19.17% ，而光电压损失仅为 0.43 V 。还实现了高性能 POTSC ，其 PCE 高达 25.90% （经认证为 25.08% ）， V _OC 为 2.21 伏。该串联器件表现出优异的稳定性，在 45 °C ± 5 °C 和 70% 湿度下，在 1 个太阳光照下 1,000 小时内保持 85% 的性能。此外， POTSC 在 - 40 ° C 至 85 °C 之间经过 200 次热循环 后仍保持 95% 的 PCE 。

相关研究成果2025年3月13日以“ Inorganic perovskite/organic tandem solar cells with 25.1% certified efficiency via bottom contact modulation ”为题发表在 Nature Energy 上。