串聯鈣鈦礦太陽能電池需要穩定、高效的寬帶隙鈣鈦礦,混合溴化物和碘化物陰離子,但這些陰離子在結晶過程中容易偏析,從而限制器件電壓和運行穩定性。美國國家可再生能源實驗室(NREL)朱凱和童金輝(共同通訊作者),蔣琦(第一作者)確定了一種溫和的氣體淬火方法以產生富含溴的表層,而隨后的柱狀生長產生了缺陷密度低的薄膜。基于這些薄膜的太陽能電池在65℃下能夠保持90%的效率超過2200小時,全鈣鈦礦串聯電池在高達2.2 V的高開路電壓下表現出27.1%的效率。相關論文以“Compositional texture engineering for highly stable wide-bandgap perovskite solar cells”為題發表在Science上。有機-無機雜化鈣鈦礦的帶隙可調性使其成為單結和多結太陽能電池應用的合適候選者,且鈣鈦礦基串聯太陽能電池的功率轉換效率(PCE)可被快速提高。作為高效串聯器件的頂部子電池,寬帶隙(WBG)鈣鈦礦(約1.7 eV或更高)收集高能光子,有助于高開路電壓(Voc),并通過過濾有害的紫外線輻射到達底部電池來實現串聯電池的穩定運行。開發基于溴碘(Br-I)混合鹵化物鈣鈦礦(Br大于20%)的高度穩定和高效的WBG鈣鈦礦太陽能電池(PSCs),對于制造串聯太陽能電池至關重要。然而,太陽能電池工作條件(如光和熱)下的Br-I相位偏置問題限制了器件電壓和工作穩定性,高Br含量會導致鈣鈦礦薄膜的結晶速度更快,這通常會產生與結構和成分不均勻以及晶界(GBs)高密度相關的缺陷,與富溴鈣鈦礦化學用反溶劑工藝快速結晶相關的現成缺陷形成通常會加劇這一挑戰。本文報告了一種合理的策略,以大幅提高具有高PCE和Voc的1.75 eV Br–I混合WBG PSC的運行穩定性。其中,設計策略基于Br-I混合WBG鈣鈦礦薄膜的幾個原則:(i)Br-I相偏析是富Br的WBG PSC性能(即運行穩定性和效率)的主要限制因素,(ii)有缺陷的位點促進了Br-I相偏析,以及(iii)降低缺陷位點的密度可以抑制Br-I相偏析。本文假設在運行條件下,體積和表面缺陷最小化的高質量WBG鈣鈦礦薄膜可以抑制器件中的Br-I相偏析。利用Br–的快速結晶特性(相對于I–),使用了一種適合于富含Br的WBG鈣鈦礦前驅體的氣體淬火工藝。與傳統的反溶劑方法相比,更溫和的氣淬方法首先產生富含Br的表層,然后誘導自上而下的柱狀生長形成梯度結構,其體相中的Br比近表區域少。所得的WBG鈣鈦礦薄膜具有改進的結構和光電性能,例如更大的晶粒尺寸,更少的GBs,更長的擴散長度和更低的缺陷密度。結果表明,作者實現了1.75 eV WBG PSC,PCE>20% PCE,~1.33?V Voc,以及出色的運行穩定性(在65°C和1.2日照下運行1100小時以上,可保持高于95%的PCE)。當將1.75 eV WBG PSC與1.25 eV Sn-Pb PSC耦合時,獲得了具有高達2.2 V開路電壓的,且27.1%效率的全鈣鈦礦雙端串聯電池。圖1. 通過氣淬處理制備的1.75 eV WBG PSC的器件特性圖2. WBG鈣鈦礦的結構特性圖3. TA測試圖4. 光電特性和缺陷輔助擴散勢壘的計算圖5. 串聯設備(A)全鈣鈦礦串聯太陽能電池的 J-V 曲線;(B)MPP附近的相應SPO效率;(C)串聯器件在~35℃和連續~0.8太陽光照下的長期穩定性綜上,這項研究不僅證明了高性能、全鈣鈦礦串聯器件的潛力,而且也是開發其他基于鈣鈦礦的串聯架構的寶貴進展,例如使用混合鹵化物WBG鈣鈦礦的鈣鈦礦-硅串聯 。這些器件的轉換效率和長期穩定性也支持本文的假設,即通過提高鈣鈦礦結晶質量和最小化缺陷來抑制Br-I相偏析可以提高WBG鈣鈦礦光伏性能。Qi Jiang, Jinhui Tong*, Rebecca A. Scheidt, Xiaoming Wang, Amy E. Louks, Yeming Xian, Robert Tirawat, Axel F. Palmstrom, Matthew P. Hautzinger, Steven P. Harvey, Steve Johnston,Laura T. Schelhas, Bryon W. Larson, Emily L. Warren, Matthew C. Beard, Joseph J. Berry, Yanfa Yan, Kai Zhu*, Compositional texture engineering for highly stable wide-bandgap perovskite solar cells, 2022, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf0194