截止2022年4月14日，鈣鈦礦太陽能電池，2022年Nature已發表相關文章（Research）4篇，此篇為第5篇，依次為：多結太陽能電池，可以克服單結器件的基本效率限制。金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的帶隙可調性，使其成為具有吸引力的多結結構。目前，已經報道了硅和銅硒化銦鎵(CIGS)的組合以及全鈣鈦礦串聯電池。與此同時，窄間隙非富勒烯受體，為有機太陽能電池開啟了極高的效率。有機和鈣鈦礦半導體是一個有吸引力的組合，共享類似的加工技術。目前，鈣鈦礦有機串聯管的效率較低，并受到寬間隙鈣鈦礦電池的低開路電壓(Voc)和亞電池之間互連帶來的損耗的限制。在此，來自德國伍伯塔爾大學的K. O. Brinkmann & T. Riedl等研究者，展示了鈣鈦礦-有機串聯電池的效率為24.0%(認證為23.1%)，Voc高達2.15 V。相關論文以題為“Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect”于2022年04月13日發表在Nature上。多結太陽電池，通常被設計成具有互補吸收光譜的寬帶隙和窄帶隙亞電池的串聯。改善與太陽光譜的重疊和減少熱化損失，是克服單結的肖克利-奎瑟效率極限的關鍵。雜化金屬鹵化物鈣鈦礦作為太陽能電池的光活性材料，受到了廣泛的關注。它們典型的ABX3組成包括甲銨(MA+)，甲酰胺(FA+)或A位上的Cs+離子，B位上的Pb2+離子和X位上的鹵化物離子，如I–或Br–。該家族的一些成員，如FAxCs1-xPb(IyBr1-y)3，提供了帶隙能(Eg)在1.5到2.3 eV之間的可調諧性，主要是通過I:Br比的變化。全鈣鈦礦串聯電池需要窄間隙材料(Eg <1.3 eV)，其中鉛部分被錫取代。然而，嚴重的穩定性問題與Sn2+到Sn4+的不需要的轉變有關，這導致了非有意的p型摻雜和器件性能的整體退化。添加劑可以在一定程度上減緩這一效應，例如在活性層內部有多余的犧牲Sn(0)。另外，c-Si或銅-銦-硒化鎵背電池，已經與寬間隙鈣鈦礦正面電池結合使用。其中一些串聯的性能，已經超過了最好的c-Si單連接。缺點是，鈣鈦礦/c-Si串聯裝置不兼容低溫、低成本、大面積生產，這是鈣鈦礦太陽能技術經常引用的愿景。在這方面，有機太陽能電池(OSCs)代表了一個有吸引力的選擇作為窄間隙背面電池。OSCs通常基于所謂的體異質結結構，這是由一個供體聚合物和一個富勒烯衍生物作為受體的混合形成的。由于富勒烯能量水平的可調性有限，OSCs的進展在大約11%的效率水平時停滯不前。然而，隨著最近非富勒烯受體(NFAs)的引入，OSCs開始看到第二波顯著的進步，這使其效率超過了18%。這一進展主要來自于受體部分較窄的能隙，以及激子的高效解離，這種解離只需要施主和受體之間很小的能量抵消，與Eg/q相比，這是釋放Voc中較低損耗的關鍵，而q是基元電荷，同時仍然提供高的外部量子效率(EQE)，因此高短路電流密度(Jsc)。在這里，研究者演示了展示了鈣鈦礦-有機串聯電池的效率為24.0%(認證為23.1%)，Voc高達2.15 V。優化的電荷提取層，提供了鈣鈦礦亞晶胞與高Voc和填充因子的杰出組合。有機亞晶胞在近紅外下提供了高的外部量子效率，與典型的關注非富勒烯細胞有限的光穩定性相反，如果激子主要在非富勒烯受體上產生，則顯示了出色的操作穩定性，這就是研究者串聯的情況。亞晶胞由一層超薄(約1.5納米)類金屬氧化銦層連接，具有前所未有的低光/電損耗。這項工作為鈣鈦礦有機串聯建立了一個里程碑，它超越了最好的鈣鈦礦單一結，并與鈣鈦礦CIGS和全鈣鈦礦多結相當。
圖1. 有機亞晶胞的結構和性質
圖2. 優化的寬間隙鈣鈦礦亞晶胞
圖3. 串聯連接
圖4. 鈣鈦礦-有機串聯電池參考文獻
Brinkmann, K.O., Becker, T., Zimmermann, F.?et al.?Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect.?Nature?604,?280–286 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04455-0
