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高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-11 10:17

正文

单片全钙钛矿串联太阳能电池为超越单结太阳能电池的效率极限提供了一种有前途的方法。然而，宽带隙钙钛矿子电池中大量的开路电压损失阻碍了功率转换效率的进一步提高。

鉴于此，南京大学谭海仁教授、林仁兴助理教授和瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授开发了宽带隙钙钛矿薄膜，其改进了(100)晶体取向，抑制了非辐射复合。研究表明，在薄膜表面使用二维钙钛矿作为中间相可促进结晶过程中沿(100)三维钙钛矿面的异质成核。通过表面成分工程增加二维相的数量，可以实现优选的(100)取向，而无需过多的二维配体，否则会阻碍载流子传输。作者证明了1.78eV宽带隙钙钛矿太阳能电池的开路电压为1.373V，填充因子高达84.7%。在最大功率点条件下测量，全钙钛矿串联太阳能电池的开路电压为2.21V，认证功率转换效率为29.1%。相关研究成果以题为“All-perovskite tandem solar cells achieving >29% efficiency with improved (100)-orientation in wide-bandgap perovskites”发表于最新一期《Nature Materials》上。南京大学特任副研究员刘洲、助理教授林仁兴、硕士生殷梦然和新加坡国立大学教授魏明阳为论文共同第一作者，南京大学为第一通讯单位。值得一提的是谭海仁教授已发5篇NS正刊，5篇Nature Energy。

【WBG 钙钛矿薄膜中的晶体取向控制】

宽带隙钙钛矿太阳能电池因载流子非辐射复合现象而导致开路电压（Voc）和填充因子（FF）的显著损失。通过降低钙钛矿的缺陷密度来抑制非辐射复合，是提升此类电池光电性能的关键策略。作者发现，（100）取向的立方钙钛矿晶体相较于（110）和（111）取向的晶体，具有更高的载流子迁移率和更低的缺陷密度。基于此，研究团队通过在反溶剂中加入苯乙胺碘化物（PEAI）和甲基碘化胺（MAI），利用生成的二维模板促进（100）取向晶体优先成核，从而诱导宽带隙钙钛矿晶体的生长，最终制备出具有（100）取向的高质量钙钛矿薄膜（图1a）。团队首先采用了四种不同工艺制备宽带隙钙钛矿薄膜，随后，通过X射线衍射（XRD）分析薄膜在退火前后钙钛矿晶体取向的变化。结果表明，含有PEAI诱导剂的反溶剂工艺能够有效促进钙钛矿沿（100）晶面生长（图1b-d），从而获得更高质量的宽带隙钙钛矿薄膜。

图 1. DA、SPA和M-SPA钙钛矿薄膜的形成过程

【WBG 钙钛矿薄膜的表征】

扫描电子显微镜（SEM）、掠射广角X射线散射（GIWAXS）及高分辨率扫描透射电子显微镜（HR-STEM）用来分析薄膜的表面及内部结构（图2a-c）。四种方法制备（1. Control（对照组）；2. DA法（将PEAI直接添加到钙钛矿前驱体溶液中）；3. SPA法（将PEAI作为诱导剂加入反溶剂）；4. M-SPA法（将PEAI和MAI同时加入反溶剂））的薄膜在q = 1.0 Å−1处均显示出钙钛矿晶面特征（德拜-谢雷环）。相比Control和DA样品，SPA和M-SPA方法制备的薄膜在q = 1.0 Å−1处具有更强的衍射信号，表明它们具有更显著的（100）晶面取向，尤其是M-SPA薄膜，其（100）晶面取向最为突出。这一结果也在其高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像中得到验证（图2c-e）。

图 2. WBG 钙钛矿薄膜的表征

【WBG钙钛矿太阳能电池的性能】

通过光致发光量子产率（PLQY）测试，研究团队评估了钙钛矿的非辐射复合损失。结果显示，M-SPA薄膜的非辐射复合损失最低（图3a-d）。此外，时间分辨光致发光（TRPL）和电致发光外量子效率（EL-EQE）测量表明，M-SPA方法显著提升了载流子迁移率并减少了缺陷密度（图3e-f），这与其增强的（100）晶面取向结果一致。利用M-SPA方法制备的高质量宽带隙钙钛矿薄膜，制成的太阳能电池表现出卓越的光伏性能。得益于较低的非辐射复合损失，其光电转换效率（PCE）达21.1%，开路电压（Voc）高达1.373 V，短路电流（Jsc）为18.1 mA/cm²，填充因子（FF）为84.7%，且无明显滞后现象。外量子效率（EQE）积分电流与J-V测试结果一致，达18.1 mA/cm²（图3g-i）。这表明其具备目前最高的光电转换效率和开路电压，为高性能全钙钛矿叠层太阳能电池的开发奠定了基础。

图 3. WBG PSC 的性能

【全钙钛矿串联太阳能电池】

基于上述研究成果，团队将该宽带隙子电池与高效窄带隙子电池串联，结合光电匹配设计，制备出高性能全钙钛矿叠层太阳能电池（图4a）。M-SPA策略的应用显著提升了叠层电池的开路电压、填充因子及转换效率（图4b）。实验室测试表明，该叠层电池的光电转换效率达29.7%，开路电压为2.175 V，电流密度为16.4 mA/cm²，填充因子为83.3%（图4c-d）。在持续的近红外LED光照下，该电池连续运行750小时后仍能保持初始效率的90%，展现出优异的光照稳定性（图4e）。经国际机构JET认证，其稳态光电转换效率达29.1%。这一优异性能表明，M-SPA策略在推动全钙钛矿叠层太阳能电池商业化应用中具有重要意义。

图 4. 全钙钛矿串联太阳能电池的光伏性能

【总结】

本文报告了一种简单的策略：在反溶剂中使用MAI和PEAI的混合物来生产具有改进的(100)取向的WBG钙钛矿。这促进了结晶过程中薄膜表面n = 1层状钙钛矿的形成，从而诱导取向成核和向下晶体生长。利用这种方法，WBG钙钛矿薄膜表现出降低的非辐射复合，QFLS接近1.415 eV，载流子迁移率增强至31.7 cm² V^-1s^-1。最后获得了高效的WBG PSC，V_OC超过1.37 V，PCE为29.1%。这项研究提供了一种有效的技术来控制WBG钙钛矿的晶体取向而不影响电荷传输，克服了由光电压损失引起的全钙钛矿串联效率限制。

来源：高分子科学前沿

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