AEM刊发MODS团队关于钙钛矿基叠层光伏互联层的原理与进展的综述文章

知光谷 · 公众号 · · 2024-12-21 07:55

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2024年12月11日，Advanced Energy Materials在线刊发了华中科技大学单片集成光电子器件与系统团队题为《Principle and Progress of Interconnection Layers in Monolithic Perovskite-Based Tandem Photovoltaics》的综述论文。论文第一作者为董翀博士生，通讯作者为陈超副教授。论文第一单位为华中科技大学。

研究背景

互连层（ICLs）是钙钛矿基串联太阳能电池（Pe-TSCs）的关键组成部分之一，决定了顶底子电池之间的串联情况。ICLs目前已经获得广泛关注，但研究多集中于实验效果，其工作机制的理解和对Pe-TSCs性能的影响方式尚不明晰。本文综述了ICLs的结构和功能，区分了Pe-TSCs与传统多结太阳能电池的工作机制，并深入研究了ICL的载流子注入平衡，并评估了其对串联器件性能的影响。另外，我们还总结了Pe-TSCs中ICLs的当前进展，并重点讨论Pe-TSCs中ICLs的独特性和性能评估方法。最后，我们提出了Pe-TSCs中ICLs的设计要求，并对其潜在设计和稳定性展开了思考。本文的综述不仅加深了对互联层的物理认识，也拓宽了串联光伏的研究范围。

研究内容及结果

一、钙钛矿基叠层光伏互联层的结构与机制

Pe-TSCs中ICLs本质是与子电池方向相反的P-N结，最简单的结构是电子传输层和空穴传输层组成的P-N结，为了提高ICLs的导电性，会进一步在该结构中插入透明导电氧化物或者超薄金属，或者直接插入简并半导体。（如图1所示）高性能Pe-TSCs要求载流子在互联层部分高效传输复合，最可行的方案就是量子隧穿。相比传统Ⅲ-Ⅴ族多结电池的直接隧穿，Pe-TSCs中的载流子传输材料掺杂浓度难以达到简并，所以Pe-TSCs中互联层的工作机制主要是依赖缺陷或者热能辅助隧穿。（如图2所示）需要特别注意的是，两端子电池向互联层中注入的载流子不平衡会导致额外的载流子堆积在互联层附近，进而对器件性能产生不利影响。（如图3所示）

图1. （a）Pe-TSC结构示意图；（b）和（c）Pe-TSC的等效电路；（d）ICLs的结构示意图；（e）简并P-N隧道二极管及其三个电流分量的电流密度-电压曲线；（f）以隧道二极管为ICL的双结太阳能电池的电流密度-电压曲线；（g）隧道二极管在不同电压偏置下的能带弯曲示意图。

图2. 多结太阳能电池和Pe-TSCs中ICLs的工作机制。

图3. ICLs中非平衡载流子注入的来源。

二、钙钛矿基叠层光伏互联层的发展与特征

Pe-TSCs中ICLs主要分为三类：P-N、P-TCO-N、P-Metal-N，当前用的较多的主要是后两中，因为载流子隧穿复合效率更高，有助于器件填充因子的提高。根据功函数的不同，三类ICLs中载流子主要复合区域会有差异，如图4b-d所示。Pe-TSCs中ICLs具备以下特征：低掺杂传输层导致的载流子隧穿效果不佳、多晶钙钛矿薄膜导致的横向分流、寄生吸收或者反射损失、工艺兼容性不佳等等，所以需要对其进行具体的性能评估。常用的电学性能评估方式是测试其二极管性能，也可以直接对叠层电池和子电池的电流-电压曲线进行叠层推测互联层的实际电学曲线。另外，可以通过UPS测试功函数、EQE判断载流子注入是否平衡、时间分辨共聚焦荧光显微镜判断均匀性等等。

图4. Pe-TSCs中ICLs的分类与当前研究进展情况。

图5. Pe-TSCs中ICLs的特点。（a图来源于Nature 2022, 604, 280）

三、钙钛矿基叠层光伏互联层的设计与展望

最直观的策略是寻找具有高掺杂浓度和高迁移率的新型电荷传输材料来构建P-N ICLs。同时，在制造过程中需要考虑低温和小损伤，这大大增加了该策略的难度。对于P-TCO-N和P-Metal-N ICLs，需要兼顾功函数、迁移率和透过率。例如，用Zn或者H掺杂ITO以降低红外寄生吸收。此外，ETL或HTL对TCO或金属的结合能力和覆盖性也会影响叠层器件性能。例如，对于采用窄带隙钙钛矿的叠层器件，设计适配窄带隙钙钛矿的SAMs十分关键。此外，可以考虑在P-Metal-N ICLs中插入超薄绝缘层以构建MIS隧道二极管，从而减小隧道势垒宽度。

Pe-TSCs中ICLs的长期稳定性不容忽视。除了离子迁移引起的化学反应外，钙钛矿太阳能电池中的有机运输层通常作为ICLs的一部分，需要监测非中性有机输运层的自稳定性及其对TCO或金属的长期影响。此外， ICLs周围的载流子或离子堆积可能是叠层器件迟滞和不稳定的来源之一。此外，ICLs在顶电池制备过程或者光热等外部因素下的应变情况也会对稳定性提出更高要求。

图6. Pe-TSCs中ICLs的要求、可能的设计和考虑。

AEM刊发MODS团队关于钙钛矿基叠层光伏互联层的原理与进展的综述文章

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