钙钛矿再发Nature!钙钛矿-有机叠层太阳能电池效率突破24.0%

材料人编辑小单 2年前 (2022-04-22) 3729浏览

1.【导读】

多结太阳能电池（Multijunction solar cells），可以克服单结器件的基本效率限制。其中，金属卤化物钙钛矿太阳能电池的带隙可调性，使其在多结结构的应用中极具吸引力。目前，除了全钙钛矿叠层电池，将钙钛矿与硅及铜铟镓硒化合物（CIGS）进行组合的器件也已有报道。同时，窄带隙的非富勒烯受体快速提高了有机太阳能电池的效率。因此，有机与钙钛矿半导体是一个有吸引力的组合，他们也具有相似的加工技术。但是，钙钛矿-有机叠层电池的效率较低，并且受到宽带隙钙钛矿电池的低开路电压(Voc)和子电池间互连损耗的限制。

2.【成果掠影】

近日，德国伍珀塔尔大学K. O. Brinkmann和T. Riedl（共同通讯作者）等人，采用优化的电荷提取层以及通过ALD技术制备超薄的氧化铟（InOx）作为子电池的连接层，成功实现了钙钛矿-有机叠层太阳能电池24.0%的高转化效率（认证效率为23.1%）和2.15 V的高开路电压（Voc）。相关研究成果以“Perovskite-organic tandem solar cells with indium oxide interconnect”为题发表在Nature期刊上。

3.【核心创新点】

  1. 1. 采用优化的电荷提取层，实现了钙钛矿子电池的高开路电压（Voc）与填充因子（FF），以及有机子电池在近红外高的外部量子效率。
  2. 子电池通过超薄（~1.5 nm）氧化铟层连接，实现超低的光学/电学损耗。制备的钙钛矿-有机叠层太阳能电池实现了24.0%的转化效率和2.15 V的高开路电压，其性能优于目前最好的钙钛矿单结电池，并与全钙钛矿及钙钛矿-CIGS器件相当。

4.【数据概览】

图1. 有机子电池的组成结构与性能 © 2022 Springer Nature

 

（a）单结有机太阳能电池的分层结构及光活性层所用分子的化学结构。

（b）二元（PM6:Y6）与三元（PM6:Y6:PC61BM）太阳能电池体系的外量子效率（EQE）。

（c）光活性层中给受体分子的吸收光谱。

（d）使用LED光源对二元与三元电池体系的转换效率（PCE）进行测试，表征电池的长时间稳定性。

（e）叠层电池效率与有机/钙钛矿子电池带隙之间的半经验模型。

 

图2. 优化后的宽带隙钙钛矿子电池 © 2022 Springer Nature

（a）不同空穴提取层（如PTAA与MeO-2PACz）准费米能级的裂分。

（b）p-i-n钙钛矿单结的分层结构。

（c）堆叠层有无电子提取层（EEL）及不同退火温度的钙钛矿太阳能电池开路电压（Voc）的对比。下方为每种电池的填充因子（FF）对比。

（d）PTAA与MeO-2PACz分别作为空穴提取层的最优钙钛矿太阳能电池的电流密度与电压之间的关系。

（e）本工作中具有宽带隙（Eg=1.85 eV）、高Br含量（≥0.4）的钙钛矿太阳能电池与文献报道工作的Voc及FF比较。

（f）白光LED最大功率点条件下测得的钙钛矿太阳能电池PCE随时间的变化。

图3. 叠层电池的串联结构 © 2022 Springer Nature

（a）以InOx或Ag为连接层的钙钛矿-有机太阳能叠层电池示意图。

（b）不同InOx连接层厚度的叠层电池的J-V特性曲线。

（c）SnOx/(InOx)/MoOx二极管的J-V特性曲线

（d）有无InOx层的能垒对比。

（e）薄片电阻及载流子密度与InOx层厚度的关系。

（f）InOx价带态密度（DOS）的光电子能谱研究，32次ALD沉积后开始表现出金属性质。

（g）纯InOx层、SnOx/InOx/MoOx三明治结构层的光透过率。其中，InOx层经过32次ALD沉积，厚度约为1.5 nm。1nm的Ag层取代InOx层作为测试的对照组。

（h）以InOx或Ag为连接层的有机后电池EQE光谱表明，仅1 nm厚的Ag就能引起显著的电流损耗。

图4.钙钛矿-有机叠层电池的性能 © 2022 Springer Nature

（a）叠层电池中子电池的EQE光谱。

（b） 叠层电池的J-V特性曲线，内部为其PCE、FF、Voc、短路电流密度（Jsc）等测试结果。

（c） 叠层电池的稳定PCE结果，内部为电池的截面扫描图。

（d） 48个叠层太阳能电池经认证的PCE统计数据。

（e与f） 叠层电池在连续最大功率点条件（e）及氮气保存条件（f）下的稳定性测试。

5.【成果启示】

对于目前钙钛矿-有机叠层电池的效率较低、宽带隙钙钛矿电池的开路电压（Voc）低以及子电池间互连损耗的问题，该工作在钙钛矿-有机太阳能叠层电池研究中具有重要的指导意义。一方面，宽带隙钙钛矿和相邻电荷提取层界面处损耗是低Voc的主要原因，因此，通过对钙钛矿表面进行改性，增强电荷的选择性提取，将有效提高Voc。另一方面，串联互连是构筑叠层太阳能电池的关键组成部分，电池所使用的连接层应具有高度可控的厚度，并且不会引起显著的光学损耗。同时，本工作中使用的ALD沉积技术，可实现大面积、量化处理，对于其他类型的串联叠层电池也具有适用性与指导意义。

本文由famous程供稿。

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