摘要

鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池是下一代光伏技術的有力競爭者，有望取代目前市場上占主導地位的單結硅電池。然而，為了證明在硅電池上添加鈣鈦礦電池的額外成本是合理的，這些器件首先應該表現出足夠高的功率轉換效率 (PCE)。瑞士洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 的 Christophe Ballif 教授團隊在 Joule 期刊發表了最新研究成果，展示了兩種關鍵技術的協同效應，將平面硅片鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池的 PCE 提升至 30 ± 1%，并獲得了 30.9% 的認證高效率。研究人員通過在鈣鈦礦前驅體油墨中添加五氟芐基膦酸 (pFBPA) 以及在鈣鈦礦薄膜和空穴傳輸層 (HTL) 之間引入二氧化硅 (SiO2) 納米顆粒 (NPs) 中間層，成功地減少了界面缺陷和非輻射復合，顯著提升了器件的效率和穩定性。

本研究推薦使用設備
SS-PST100R AM1.5G 可變標準光譜模擬光源高效率新型疊層太陽能電池精準效率測量
QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統

研究背景與核心概念

目前商用光伏技術主要集中在單結太陽能電池，其中晶體硅 (Si) 是主要的吸光材料選擇。然而，單結晶硅電池的 PCE 存在物理極限，略高于 29%，這與目前晶硅電池 (27.1%) 相差不遠。為了突破這個極限并降低太陽能發電成本，一種方法是使用具有更高帶隙的額外吸光材料來減少熱損失，更有效地利用太陽光譜。在硅上使用帶隙約為 1.6 至 1.7 eV 的吸光材料 (晶硅的帶隙為 1.1 eV)，理論上可以將 PCE 極限從約 29% 提高到 40% 以上。在這方面，具有可調帶隙、制造成本相對較低和光電性能優異的鈣鈦礦吸光材料非常適合與晶硅結合使用。然而，為了證明在晶硅電池上添加鈣鈦礦電池的額外成本是合理的，疊層器件應同時表現出高 PCE 和良好的工作穩定性。

研究方法與主要發現

該研究提出了兩種關鍵技術，它們具有協同效應，可以將鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池 (在正面平面硅片上旋涂鈣鈦礦薄膜) 的 PCE 可靠地提高到 30 ± 1%。

l 第一項技術是使用五氟芐基膦酸 (pFBPA) 作為鈣鈦礦 (Cs0.05[FA0.9MA0.1]0.95Pb[I0.8Br0.2]3) 前驅體油墨中的添加劑，以消除與鉛相關的缺陷和鈣鈦礦/C60 界面附近的非輻射復合，從而提高器件的開路電壓 (Voc) 和填充因子 (FF)，值得注意的是，無需額外的鈍化層。

l 第二項技術主要增強 FF，包括使用稀疏涂覆的二氧化硅 (SiO2) 納米顆粒 (NPs) 作為鈣鈦礦和空穴傳輸層 (HTL) 之間的中間層，通過改善表面潤濕性，實現高性能 [4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸 (Me-4PACz) 的可重復使用，同時改善 pFBPA 導致的鈣鈦礦薄膜質量下降。

研究結果與討論

3.1 pFBPA 增強頂電池性能

研究發現，pFBPA 可以有效地鈍化鈣鈦礦/C60 界面處的缺陷，并抑制非輻射復合，從而提高器件的 Voc 和 FF。Fig. S1 和 Fig. S2 分別展示了在光照和黑暗條件下，添加 pFBPA 對單結鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。可以看出，pFBPA 的添加可以顯著提高器件的 Voc、FF 和 PCE，并且可以有效地抑制光照引起的性能衰減。

Fig. S3 展示了不同濃度的 pFBPA 對器件性能的影響。研究發現，當 pFBPA 濃度為 5 mM 時，器件的性能最佳。

3.2 SiO2 納米顆粒提升薄膜質量

為了解決 pFBPA 導致的鈣鈦礦薄膜質量下降問題，該研究引入了 SiO2 納米顆粒 (NPs) 作為鈣鈦礦和空穴傳輸層 (HTL) 之間的中間層。SiO2 NPs 具有良好的潤濕性，可以改善鈣鈦礦薄膜的表面形貌，減少針孔和分流的形成。Fig. S9 展示了不同濃度的 SiO2 NPs 對基底表面形貌的影響，可以看出，SiO2 NPs 可以有效地提高基底表面的平整度。Fig. S10 展示了 SiO2 NPs 對 Me-4PACz 表面潤濕性的影響，可以看出，SiO2 NPs 可以有效地改善 Me-4PACz 在鈣鈦礦表面的鋪展性，形成更加均勻的薄膜。

Fig. S11 展示了不同濃度的 SiO2 NPs 對器件性能的影響。研究發現，當 SiO2 NPs 濃度為 0.2 wt% 時，器件的性能最佳。

3.3 協同效應助力高效疊層電池

將 pFBPA 和 SiO2 NPs 結合使用，可以充分發揮它們的協同效應，制備出高效穩定的鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池。pFBPA 鈍化鈣鈦礦/C60 界面缺陷，提高 Voc 和 FF，而 SiO2 NPs 改善薄膜質量，進一步提升 FF。最終，該研究實現了 30 ± 1% 的可重復 PCE，并獲得了 30.9% 的認證高效率 (Fig. S21)。

結論與展望

該研究提出的協同基底和添加劑工程策略為制備高效穩定的鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池提供了新思路，并為推動其產業化應用奠定了基礎。未來，可以通過進一步優化材料和器件結構，以及結合其他界面工程策略，進一步提升疊層電池的效率和穩定性。

本文參數圖:

Fig. 3_ (F)展示兩種太陽能電池材料——鈣鈦礦（Perovskite）和晶硅（Si）的外量子效率（EQE）與波長關系的圖表。

·      鈣鈦礦的EQE曲線以藍色表示，峰值接近80%，并在大約800nm的波長處開始下降。

·      晶硅的EQE曲線以紅色表示，峰值略低于鈣鈦礦，且在大約1100nm的波長處迅速下降。

·      圖中還標注了兩種材料的電流密度，鈣鈦礦為20.52 mA/cm220.52 mA/cm2，晶硅為19.92 mA/cm219.92 mA/cm2。

此張圖表可以用來比較不同材料在太陽能電池應用中的性能，特別是在不同波長下的光電轉換效率。

Fig.S33_電流密度與電壓特性以及串聯器件性能參數的示例

裝置在制造完成后（即初始階段）和在充滿氮氣的手套箱中暗藏一年后測量的性能參數。

Fig.S35_圖 3h 所示的串聯設備電流密度與電壓特性示例

在第三個周期的 12 小時內（即從第 24 小時到第 36 小時）跟蹤 MPP 前后的電流密度與電壓特性。

原文出處: JOULE 

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