研究背景

?包含寬帶隙（WBG）（~1.8?eV）和窄帶隙（NBG）（~1.2?eV）的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池吸收層擴(kuò)展了太陽光譜的可用范圍，并減少了單結(jié)太陽能電池中的熱化損失。全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的最高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）（26.4%），但長期穩(wěn)定性仍然是商業(yè)應(yīng)用的主要瓶頸。

研究成果

南京大學(xué)譚海仁研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南開大學(xué)報(bào)道了PCE為25.6%的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池，它表現(xiàn)出良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，?實(shí)現(xiàn)了PCE 25.6%（穩(wěn)態(tài)25.2%），模擬1太陽光照射1000h后保持了96%的初始性能。

此向研究工作以“Inorganic wide-bandgap perovskite subcells with dipole bridge for all-perovskite tandems”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Nature Energy》上。

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圖文速遞

一、分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將π-共軛分子結(jié)構(gòu)插入鈣鈦礦/C60界面（圖第1a段）。苯乙基銨（PEA）陽離子是常用鈍化劑，通過在氨基的對(duì)位引入F原子（4-氟苯乙基銨（F-PEA））或CF3基團(tuán)（4-（三氟甲基）苯乙基銨）來調(diào)節(jié)電偶極矩（圖1b），發(fā)現(xiàn)中性分子的偶極矩隨著F基團(tuán)數(shù)量的增加而增加。

通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算了解每種鈍化劑的分子結(jié)構(gòu)影響鈣鈦礦/ETL界面處的缺陷鈍化和電荷傳輸?shù)臋C(jī)理。三種鈍化分子中，CF3-PEA通過占據(jù)銫空位與鈣鈦礦結(jié)合最強(qiáng)（圖1c），具有最高最大靜電勢（φmax），與鈣鈦礦表面結(jié)合越強(qiáng)表明表面鈍化越有效。C60和CF3- PEA鈍化的鈣鈦礦之間的相互作用最強(qiáng)，這降低了器件電荷轉(zhuǎn)移電阻并加速了界面電荷轉(zhuǎn)移。研究三次鈍化處理后功函數(shù)（WF）變化和CBM變化，發(fā)現(xiàn)與裸露表面相比，F(xiàn)-PEA和CF3-PEA表現(xiàn)出WF增加和CBM降低，而PEA WF減少或CBM增加。在陽離子型鈍化的情況下，更高的分子極性有助于誘導(dǎo)WF增加并改善電子提取。?

二、采用偶極層的CsPbI3?x?Brx ?PSCs的光伏性能

CF3-PEA具有提供更有效表面鈍化和改進(jìn)界面電子提取的潛力。在倒置的p–i–n結(jié)構(gòu)中制造全無機(jī)CsPbI3?xBrx ?PSC，評(píng)估三種鈍化劑對(duì)光伏（PV）性能的影響，F(xiàn)-PEA和CF3-PEA在不惡化短路電流密度（JSC）下，大幅改善了設(shè)備的VOC和FF。CF3-PEA器件實(shí)現(xiàn)了18.5%的高PCE。采用多色LED太陽能模擬器研究全無機(jī)CsPbI3?xBrx??PSC的運(yùn)行穩(wěn)定性，?MPP條件下運(yùn)行2000h，封裝的CF3-PEA裝置保持其初始PCE（圖2d）。

三、CsPbI3?xBrx鈣鈦礦薄膜表征

對(duì)CsPbI3?xBrx鈣鈦礦薄膜進(jìn)行形態(tài)和結(jié)晶表征，以揭示在鈣鈦礦和鈍化劑之間的相互作用。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示對(duì)照膜致密、無針孔，X射線衍射（XRD）顯示鈍化處理不影響整體結(jié)晶度。通過x射線光電子能譜（XPS）測定原始和鈍化CsPbI3?xBrx薄膜的元素組成和電子結(jié)構(gòu)，圖3c、d表明鈍化膜表面存在鈍化劑分子。在含有每種鈍化劑的鈣鈦礦膜中，Cs的結(jié)合能位移在表征元素中最大，表明鈍化劑與Cs的相互作用最強(qiáng)。

采用紫外光電子能譜（UPS）研究鈣鈦礦薄膜和C60層的表面能學(xué)，PEA處理將CsPbI3?xBrx膜表面的WF從4.86降低到4.83?eV，而F-PEA和CF3-PEA鈍化膜WF 5.08eV和5.34?eV（圖3f）。PEA增大了鈣鈦礦和C60之間的ΔEc，而F-PEA和CF3-PEA偶極層減小了ΔEc偏移。

測量作為LED控制和鈍化PSC器件的電致發(fā)光光譜發(fā)現(xiàn)CF3-PEA鈍化器件在各種施加的偏壓下實(shí)現(xiàn)了顯著更高的電致發(fā)光強(qiáng)度，CF3-PEA對(duì)器件中陷阱輔助復(fù)合的抑制效果最好。

采用穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）和時(shí)間分辨光致發(fā)光探測CsPbI3?x Brx薄膜輻射復(fù)合和載流子轉(zhuǎn)移行為，鈍化的CsPbI3?xBrx薄膜表現(xiàn)出抑制缺陷誘導(dǎo)的非輻射復(fù)合，PL強(qiáng)度的增加證明了這一點(diǎn)（圖4a）。覆有C60的CF3-PEA膜顯示出PL增強(qiáng)，表明C60不會(huì)像對(duì)照那樣誘導(dǎo)那么多復(fù)合。圖4c顯示了鈣鈦礦/C60結(jié)的TRPL，計(jì)算了微分壽命（圖4d）以區(qū)分電荷提取與陷阱輔助復(fù)合，較短時(shí)間的第一間隔主要由電子從本體轉(zhuǎn)移到C60，較長延遲時(shí)間的第二間隔主要由界面復(fù)合。

四、全鈣鈦礦串聯(lián)的性能和穩(wěn)定性

使用CF3-PEA鈍化的CsPbI3?x?Brx鈣鈦礦為WBG子電池制造了單片全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池（圖第5a、b段）。圖5f顯示了在幾個(gè)批次中處理的50個(gè)串聯(lián)太陽能電池的PCE直方圖，表明平均PCE為24.3%，具有良好的再現(xiàn)性，具有全無機(jī)WBG子電池的串聯(lián)太陽能電池的光伏性能與先前研究中報(bào)道的具有無機(jī)-有機(jī)雜化WBG鈣鈦礦的串聯(lián)器件的光伏性能相當(dāng)。

模擬1太陽光照射下的此鈣鈦礦電池的長期運(yùn)行穩(wěn)定性，在強(qiáng)度相當(dāng)于100 mW?cm?2的多色LED太陽能模擬器下，跟蹤封裝器件在環(huán)境空氣中器件在MPP條件下的功率輸出，串聯(lián)裝置表現(xiàn)出良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，并在MPP下運(yùn)行超過1000h后保持了96%的初始PCE?（圖5g）。

無機(jī)WBG鈣鈦礦在運(yùn)行穩(wěn)定性方面仍有工作要做，以提高所有鈣鈦礦串聯(lián)器件的PCE。為實(shí)現(xiàn)超過30%的PCE，WBG前子電池的VOC必須從此處報(bào)道的1.23V提高至1.4V。通過添加劑和成分工程調(diào)節(jié)全無機(jī)鈣鈦礦膜的快速成核和結(jié)晶過程，有望降低體陷阱密度。通過減少空穴傳輸層/鈣鈦礦界面復(fù)合損失，可以進(jìn)一步預(yù)期更高的VOC。

結(jié)論與展望

此研究證明具有全無機(jī)WBG子電池的高效穩(wěn)定的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的光穩(wěn)定性比混合鈣鈦礦更強(qiáng)。展示了一種使用高極性CF3-PEA分子鈍化表面缺陷和調(diào)節(jié)界面能級(jí)排列的強(qiáng)鍵合電偶極子夾層，從而抑制了非輻射電荷復(fù)合并改善了界面電子提取。使用CF3-PEA鈍化劑，倒置的全無機(jī)CsPbI3?xBrx ?PSC在2000小時(shí)內(nèi)顯示出18.5%的PCE和優(yōu)異的操作穩(wěn)定性。CsPbI3?x?Brx?WBG子電池的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池實(shí)現(xiàn)了25.6%（穩(wěn)態(tài)25.2%）的效率，封裝串聯(lián)器件模擬1太陽光照射1000h后保持了96%的初始性能。該研究為實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池提供了一條簡單的途徑。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01250-7.