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在多結結構中具有很好的應用。據報道，它們可與硅和銅-銦-鎵硒化物（CIGS）以及全鈣鈦礦串聯電池組合。然而，鈣鈦礦-有機串聯體顯示出較差的效率，并受到寬帶隙鈣鈦礦電池的低開路電壓（Voc）和子電池之間串聯導致的損耗限制。有鑒于此，德國伍珀塔爾大學Thomas Riedl團隊展示了效率為24.0%（認證為23.1%）的鈣鈦礦-有機串聯電池，其中Voc高達2.15V。優化的電荷提取層提供鈣鈦礦子電池，具有高Voc和填充因子。有機子電池在近紅外提供高的外部量子效率，與對非富勒烯電池有限光穩定性的范式關注相反，如果激子主要在非富勒烯受體上產生，則表現出優異的操作穩定性。子電池通過超薄（約1.5納米）金屬狀氧化銦層連接，具有前所未有的低光學/電學損耗。這項工作為鈣鈦礦-有機串聯體設定了一個里程碑，它優于最佳的p-i-n鈣鈦礦單結，與鈣鈦礦-CIGS和全鈣鈦礦多結相當。這項研究以“Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect”為題，發表在著名期刊Nature上。
作者考慮基于聚合物PM6的有機光活性系統最為串聯結構中的窄帶隙子電池，其中氧化鉬（MoOx）作為空穴提取層（HEL）和C60/2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲咯啉雙層（BCP）用于有效的電子提取。二元PM6:Y6混合物（1:1.2）電池提供高達16.5%的功率轉換效率（PCE）。在PM6:Y6光敏層中加入一定濃度的富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PC61BM），形成三元體系PM6:Y6:PC61BM（1:1.2:0.2），這改善了混合形態，從而增強了電荷傳輸并減少了非輻射復合，因此可以顯著提高電池特性。為了評估二元和三元電池在適用于預期鈣鈦礦-有機串聯電池的照明條件下的穩定性，作者使用過濾的白色發光二極管（LED）和近紅外（NIR）LED（峰值850nm）作為光源，其分別在PM6或Y6上產生激子。在組合的可見光/近紅外照明下，二元和三元電池在最大功率點（MPP）連續操作后顯示PCE顯著衰減。由于改善的混合形態，三元電池的衰變明顯慢于二元電池。然而，在近紅外照明下，激子僅在Y6上產生，器件沒有顯示任何老化，即使在長期連續運行超過5000小時的情況下，也發現只有極小的衰減。這些發現表明，上面討論的有害形態變化將需要激發供體聚合物PM6，并且如果主要是被激發的Y6 NFA，則可以顯著減輕衰退現象。AFM和GIWAXS在惰性條件下連續照射LEDVIS+LEDNIR時未顯示形態變化，GISAXS表明老化后樣品表面僅有一些微小的形態變化。因此，作者發現除了可能的形態變化之外，光誘導的PM6降解同樣可以起重要作用。以上結果表明鈣鈦礦-有機串聯電池的長期操作穩定性將不受窄帶隙OSC的限制。
作者選擇了FA0.8Cs0.2Pb（I0.5Br0.5）3作為合適的鈣鈦礦組合物，帶隙為1.85 eV。作者分析了照射中的鈣鈦礦準費米能級分裂（QFLS）。QFL提供了在實際太陽能電池中可以預期的Voc的極好指示（和上限），并且它使作者能夠確定與鈣鈦礦相鄰的各個電荷提取層相關的Voc的潛在損失。PTAA是目前p-i-nPSC中最突出的HEL，然而PTAA有效的空穴傳輸和選擇性之間的權衡而受到嚴重限制。為了克服與PTAA相關的問題，作者使用MeO-2PAC作為HEL。對比實驗發現，MeO-2PACz與PTAA上的類似物相比，沉積在MeO-2PACz上的鈣鈦礦層實現了90meV的大QFL。以上研究結果表明，正確選擇HEL可以減輕鈣鈦礦中鹵化物的分離，即使Br濃度升高。在研究電子提取層（EEL）的影響之前，作者實施了鈍化策略。在沒有EEL的情況下，表面鈍化不會影響QFL，這表明在這種情況下表面或晶界處的缺陷不會施加限制。為了將PSC整合到串聯電池中，通過低溫原子層沉積（ALD）生長的SnOx層，其用作滲透屏障不僅改善了長期穩定性，而且還保護下面的層免受后續濕化學過程的溶劑的化學侵蝕。MeO-2PACz與PTAA對比研究發現，以MeO-2PACz作為HEL，添加EEL顯著減少QFL，并且所得Voc進一步改善，甚至形成2D鈣鈦礦。因觀察到的平均Voc值再現了具有MeO-2PACz和2D鈣鈦礦器件的測量QFL，作者推斷界面復合是主要的限制因素。對于最佳器件，Voc甚至達到純鈣鈦礦的QFL，表明EEL界面處的復合損失的優異抑制。最終，實現了具有無滯后I-V特性的PSC，其具有非常高的穩定Voc=1.34 V。在以前的報告中，Voc的增加通常以降低FF和EQE損失為代價。Eg在1.8-1.9eV范圍內的高Br含量PSC的文獻表明，減輕界面處的損失可獲得高Voc和FF組合特征。該寬帶隙PSC連續運行時超過100小時后，PCE仍能保持在其初始值的80%以上（T80=100小時）
互連結構是單片（雙端）串聯太陽能電池的關鍵組件，在p-i-n串聯中有助于底部鈣鈦礦電池的電子與頂部有機電池的空穴復合，理想情況下不會損失Voc和FF。在最簡單的方法中，可以省略鈣鈦礦電池的頂部電極并將有機電池直接堆疊在頂部。在這種情況下，由于在SnOx/MoOx界面處形成的0.6eV的肖特基勢壘。低功函數SnOx和高功函數MoOx之間的界面僅為所得串聯電池提供極差的S形J-V特性。為了使互連歐姆，作者開發了基于超薄ALD生長的InOx層的互連，其厚度僅為約1.5nm（ALD生長過程的細節可以在方法中找到）。作者利用ALD的獨特性質，即使在?ngstr?ms的水平上也能最大限度地控制層厚度，這在傳統的沉積技術中是不可能的。在SnOx和MoOx之間插入InOx突出地改善了串聯電池的J-V特征）。少至32個ALD循環足以使SnOx/InOx/MoOx堆疊歐姆。作者通過光電子能譜揭示了互連中的能量排列。插入超薄InOx完全緩解在SnOx/MoOx情況下發現的向上帶彎曲，使得能夠在SnOx/InOx/MoOx層序列中從底部PSC無阻擋地傳輸電子。最終，這些電子與MoOx-有機界面處OSC的空穴復合。值得注意的是，在完成成核階段（大約32個ALD循環）之后，InOx層顯示出金屬性質，電子密度約為1020cm?3。透射率接近1的超薄InOx互連不會引入顯著的光學損耗，這將有機背電池的EQE和串聯的整體Jsc提高了約1.5 mA cm?2（與基于1nm Ag的互連相比）。根據上述研究結果，作者制備了具有優異特性的鈣鈦礦-有機串聯太陽能電池。優化的鈣鈦礦-有機串聯的PSC和OSC亞電池的EQE光譜顯示在400和500nm之間的波長區域中的高EQE值（>95%），這可以通過與鈣鈦礦材料的高折射率相關的光學效應來解釋。串聯電池的高Voc=2.15 V是由于理想地增加了子電池的J–V特性而不損失Voc的結果。最佳串聯電池獲得了24.0%的PCE， 23.1%（±1.6%）的認證效率。該器件是迄今為止最高效的鈣鈦礦-有機串聯電池。器件在惰性氣氛下具有超過1000小時的優異穩定性，并且在MPP中連續操作時T80為130小時。https://www.nature.com/articles/s41586-022-04455-0
