特別說明：本文由學研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學研匯 技術(shù)中心）
研究背景
使用金屬鹵化物鈣鈦礦（約1.2 eV–3.0 eV）可實現(xiàn)的寬范圍帶隙使硅、銅銦鎵硒化物（CIGS）和有機光伏的串聯(lián)太陽能電池成為可能。最近，由堆疊的寬帶隙（WBG）~1.8eV和窄帶隙（NBG）~1.2eV層制成的所有鈣鈦礦串列超過了單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的最高記錄功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
關(guān)鍵問題
盡管取得了快速進展，鈣鈦礦疊層電池仍存在以下問題：雖然單結(jié)~1.5 eV的PSCs已經(jīng)實現(xiàn)了低至0.3 V的VOC損失，但混合碘/溴化物>1.75 eV的PSCs尚未實現(xiàn)低于0.5 V的VOC損失。VOC損失被認為是鈣鈦礦中陷阱密度增加、光誘導的鹵化物分離以及與電荷傳輸層的能量對準不良所致。一旦與電荷傳輸層接觸，鈣鈦礦的PLQY趨于顯著降低，鈣鈦礦/傳輸層界面在鈣鈦礦帶隙內(nèi)的復(fù)合路徑未形成定論。
新思路
有鑒于此，多倫多大學Edward H. Sargent等人揭示了電子傳輸層(ETL)接觸處的VOC限制復(fù)合源于不均勻的表面勢和差的鈣鈦礦-ETL能量排列。作者通過引入二胺分子來修飾鈣鈦礦表面態(tài)，實現(xiàn)更均勻的表面電勢空間分布。使用1，3-丙烷二銨(PDA)，QFLS增加了90 me V，實現(xiàn)了1.79 eV的PSCs，認證的VOC為1.33 V，功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)>19 %。將該層與單塊全鈣鈦礦串聯(lián)，報道了創(chuàng)紀錄的2.19 V的VOC限值和>27 %的PCE。這些串聯(lián)在500小時運行后保留了其初始PCE的86%以上。作者推斷調(diào)整鈣鈦礦/C60界面處的表面電勢將通過減少鈣鈦礦和C60之間的帶偏移以及減少界面處的少數(shù)載流子的數(shù)量來抑制這種跨界面復(fù)合，并實現(xiàn)了C60誘導重組途徑的有效抑制。2、探究了鈣鈦礦薄膜表面不均勻性及其表面吸附分子層的修復(fù)作者通過實驗與理論相結(jié)合，證實了PDA處理后的膜更均勻，表現(xiàn)出較低功函數(shù)，價帶最大值區(qū)域附近的隙內(nèi)表面狀態(tài)被抑制。作者制造了WBG太陽能電池，證實了 WBG PSC的VOC增加以及穩(wěn)定性，并解析了性能提升的原因。4、構(gòu)建了串聯(lián)鈣鈦礦電池并進行了表征作者制造了單片全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池，實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的PCE，高VOC，JSC以及FF。還制造了1 cm2的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池，同樣獲得了高PCE和VOC。1、實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的開路電壓和功率轉(zhuǎn)換效率作者將表面修飾的鈣鈦礦層與單塊全鈣鈦礦串聯(lián)，報道了創(chuàng)紀錄的2.19 V的VOC和>27 %的PCE。PDA處理的WBG細胞在最大功率點下運行700小時的輸出，沒有顯示出PCE損失；串聯(lián)在500小時運行后保留了其初始PCE的86%以上。作者通過理論結(jié)合實驗，解析了鈣鈦礦/C60界面處的表面電勢將通過減少鈣鈦礦和C60之間的帶偏移以及減少界面處的少數(shù)載流子的數(shù)量來抑制這種跨界面復(fù)合，并基于此實現(xiàn)了C60誘導重組途徑的有效抑制。
技術(shù)細節(jié)
作者發(fā)現(xiàn)在C60沉積使得PLQY降低了兩個數(shù)量級。用碘化丁基銨（BA）鈍化表面會增加PLQY，但在C60沉積后，這種改進并未保留。作者推斷調(diào)整鈣鈦礦/C60界面處的表面電勢將通過減少鈣鈦礦和C60之間的帶偏移以及減少界面處的少數(shù)載流子的數(shù)量來抑制這種跨界面復(fù)合。用1,3-丙烷碘化二銨（PDA）處理鈣鈦礦表面，發(fā)現(xiàn)由C60誘導的重組途徑已被有效抑制。進一步使用了紫外光電子光譜（UPS），發(fā)現(xiàn)BA誘導費米能級降低，而PDA誘導費米能級升高，分別導致更強和較弱的表面p型摻雜。表面電勢的后一個變化在界面處產(chǎn)生較低的少數(shù)載流子濃度，并將鈣鈦礦和C60之間的帶偏移減少了60meV。圖 鈣鈦礦和電子傳輸層之間的復(fù)合：分析及其最小化策略作者發(fā)現(xiàn)處理后的膜表面上存在PDA配體。使用密度泛函理論，研究了PDA處理各種表面結(jié)構(gòu)時的功函數(shù)變化。結(jié)果表明，具有VBr的原始Pb-I終止表面在PDA處理后表現(xiàn)出0.44eV的較低功函數(shù)，價帶最大值區(qū)域附近的隙內(nèi)表面狀態(tài)被抑制。高光譜成像表明PDA處理后的膜更均勻。C60沉積后，對照的QFLS下降并進一步變寬，而PDA膜的QFLS保持在1.33eV，分布稍窄。KPFM表明，這種效應(yīng)與控制膜的不均勻接觸電勢有關(guān)，當與C60接觸時，控制膜的接觸電勢將擴大界面電子狀態(tài)，導致復(fù)合增加。PDA處理顯著縮小了接觸電位分布，這表明復(fù)合減少和載流子提取改善。GIWAXS證實了盡管PDA不會誘導形成新的晶相，但它確實與鈣鈦礦表面發(fā)生反應(yīng)。作者制造了WBG太陽能電池。WBG PSC的J-V曲線顯示VOC從1.23 V增加到1.33 V，報告的最高VOC約1.8 eV。作者還使用PDA表面處理制造了1cm2 WBG器件，其VOC約為1.35V，PCE為19.0%。PDA處理裝置的電荷復(fù)合壽命（τr）比對照裝置的更長，這與PDA后處理后C60界面處載流子捕獲的減少一致。PDA處理導致擴散長度增加了2倍的增加。跟蹤PDA處理的WBG電池在最大功率點下運行700小時的輸出，在1太陽光照下連續(xù)操作700小時后，PDA處理的裝置顯示PCE沒有損失，可歸因于PDA處理的膜中顯示出的離子遷移勢壘增加。PDA處理將ETL處的VOC損失從104 mV降低到16 mV，還消除了對照樣品中存在的全堆疊QFLS和器件VOC之間的14 mV失配，表明處理后鈣鈦礦和C60之間的帶偏移減少。除了減少VOC損失外，PDA處理的裝置運輸（填充系數(shù)）損失減少了3.4%，這也表明在處理過的界面處有良好的帶彎曲，從而改善了載流子提取。使用的高VOC PDA處理的WBG活性層和Cs0.05FA0.7MA0.25Pb0.5Sn0.5I3NBG混合Pb-Sn鈣鈦礦，制造了單片全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池。串聯(lián)裝置EQE測量的WBG和NBG子電池的綜合短路電流密度（JSC）值分別為15.4和15.2 mA/cm2。根據(jù)EQE譜計算的WBG和NBG子電池的帶隙分別為1.79eV和1.22eV。串聯(lián)WBG和NBG PSC表現(xiàn)出創(chuàng)紀錄的PCE為27.4%，高VOC為2.19V，JSC為15.1mA/cm2，F(xiàn)F為83.1%。將串聯(lián)電池送至經(jīng)認證的獨立光伏校準實驗室（NREL），證實串聯(lián)裝置提供了26.29%的認證PCE和2.13V的VOC，并且是第一個通過認證的全鈣鈦礦串聯(lián)，使用相同的漸近Pmax (最大功率)掃描協(xié)議，超過單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的記錄PCE。還制造了1 cm2的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池，其PCE為26.03%，VOC為2.16V。圖 鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏性能和穩(wěn)定性
展望
總之，作者通過二銨表面改性，實現(xiàn)了鈣鈦礦高VOC和PCE的協(xié)同。通過調(diào)節(jié)表面電勢使所有鈣鈦礦串中的電壓最大化，這種有前途的操作穩(wěn)定性使得鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池朝向應(yīng)用邁出了重要一步。Chen, H., Maxwell, A., Li, C. et al. Regulating surface potential maximizes voltage in all-perovskite tandems. Nature (2022).DOI: 10.1038/s41586-022-05541-zhttps://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z
