特別說明：本文由學研匯技術 中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，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。在過去的十年中，有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料（ABX3）已成為光伏技術中光吸收材料的有前途的選擇。為了實現單結太陽能電池以及全鈣鈦礦串聯子電池在1.1–1.4eV范圍內的窄帶隙(NBG)，鉛(Pb)和錫(Sn)可以在B位金屬離子中合金化。全鈣鈦礦串聯太陽能電池有望超越單結太陽能電池的Shockley-Queisser極限。
關鍵問題
1、制造高效、穩定的NBG Sn-Pb鈣鈦礦太陽能電池仍存在巨大挑戰因為Sn2+容易氧化成Sn4+，導致p型自摻雜，載流子壽命短和設備性能下降，因此制造高效、穩定的NBG錫鉛鈣鈦礦太陽能電池（PSC）仍是一個巨大的挑戰。2、單結Sn-Pb PSC的性能限制了全鈣鈦礦串聯的上限目前，通過優化NBG混合Sn-Pb子電池和寬帶隙(WBG)子電池，實現了全鈣鈦礦串聯電池的創紀錄性能。然而，單結Sn-Pb PSC的性能仍有很大的提升空間，這最終決定了全鈣鈦礦串聯的上限。
新思路
有鑒于此，武漢大學柯維俊、方國家等人專注于窄帶隙子電池并為其開發了一種一體化摻雜策略。作者將天冬氨酸鹽酸鹽（AspCl）引入底部聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）和塊狀鈣鈦礦層，然后再進行一次AspCl后處理。結果表明，單一AspCl添加可以有效鈍化缺陷、減少Sn4+雜質并改變費米能級。此外，AspCl-Sn/Pb碘化物和AspCl-AspCl之間的強分子鍵可以強化結構，從而提高Sn-Pb鈣鈦礦的穩定性。最終，在Sn-Pb鈣鈦礦太陽能電池中實施 AspCl 摻雜，單結電池的功率轉換效率為22.46%，串聯電池的功率轉換效率為27.84%（穩定效率27.62%，認證效率27.34%），在充滿N2的手套箱中存儲2000?h后，保持率為95%。本工作結果表明，一體化AspCl摻雜是提高單結Sn-Pb鈣鈦礦太陽能電池及其串聯電池效率和穩定性的有利策略。作者闡明了AspCl一體化摻雜策略，并通過理論計算及性能表征表明AspCl的引入有利于鈍化缺陷、抑制離子遷移和穩定鈣鈦礦，進而顯著提高器件性能。作者通過一系列表征來解析鈣鈦礦器件性能增強原因，表明AspCl的摻入可以減少Sn-Pb鈣鈦礦中的缺陷，改善了載流子分離和傳輸。作者比較了性能最佳的控制設備和目標設備的J-V曲線，表明AspCl修飾顯著提高了太陽能電池的效率和穩定性。作者制造了全鈣鈦礦串聯太陽能電池，表明串聯器件具有高效率和高穩定性，同時還表現出良好的再現性。作者通過將手性AspCl摻入鈣鈦礦不同組件中，開發了一種Sn-Pb PSC的一體化摻雜方法，構建了鈣鈦礦內部分子鎖，實現了鈣鈦礦表面缺陷鈍化。作者在Sn-Pb鈣鈦礦太陽能電池中實施AspCl摻雜，單結電池的功率轉換效率為22.46%，串聯電池的功率轉換效率為27.84%，且具有良好的穩定性和再現性。AspCl分子由三個功能部分組成：Cl?陰離子抑制碘空位的形成，氨基與I?配位以減少陷阱狀態并抑制碘離子遷移，羧基與Pb和Sn離子配位以抑制鈣鈦礦分解。此外，兩個AspCl分子中的氨基和羧基可以與鈣鈦礦通過分子間氫鍵彼此結合，為鈣鈦礦創建了內部分子鎖，可以有效鈍化表面缺陷并提高器件穩定性。作者利用DFT計算表明AspCl的引入有利于鈍化缺陷、抑制離子遷移和穩定鈣鈦礦。作者制造了單結Sn-Pb PSC并評估了AspCl在Sn-Pb鈣鈦礦器件中的有效性，表明AspCl的摻入可以顯著提高器件性能。
圖 NBG Sn-Pb鈣鈦礦中AspCl的制備及其機理作者通過一系列表征來解析鈣鈦礦器件性能增強原因。作者通過SEM、AFM、XRD、XPS等多種手段表征了薄膜形態、薄膜質量、晶體結構、分子間相互作用等多項性能指標，結果驗證了AspCl的摻入可以減少Sn-Pb鈣鈦礦中的缺陷。由于鈣鈦礦的能級在載流子分離和傳輸中起著至關重要的作用，作者還研究了器件的能帶結構。作者通過UPS和Eg測量了不同鈣鈦礦薄膜以探索薄膜的導帶最小值（CBM）和價帶最大值（VBM）水平，結果表明AspCl的引入導致了與C60和PEDOT:PSS具有良好的能帶匹配，最終改善了載流子分離和傳輸，從而增加了器件的開路電壓。
基于上述結果，所得太陽能電池表現出改進的性能。作者比較了性能最佳的控制設備和目標設備的J-V曲線。最佳目標PSC顯著改善了Jsc、Voc、FF和PCE值，分別為31.69 (31.77)?mA?cm?2、0.89 (0.88)?V、79.90 (77.96)%和22.46(21.80)%，認證PCE為21.72%。相應控制裝置和目標裝置在最大功率點的穩態輸出（SPO）效率分別為15.91%和22.14%。除了效率之外，AspCl修飾還提高了太陽能電池的穩定性，器件在恒定1太陽光照下的最大功率點 (MPP)跟蹤穩定性測試表明，未封裝的目標器件在55 ℃的充氮氣手套箱中運行100 小時后仍保留其初始效率的80%。封裝并儲存在充滿N2的手套箱中的設備在室溫保存2000小時后，目標樣品的PCE仍保持了92％。這些結果表明，AspCl 的添加顯著提高了 Sn-Pb PSC 的效率和穩定性。
作者使用NBG Sn-Pb PSC作為底部子電池和WBG（FA0.8Cs0.2PbI1.8Br1.2）PSC作為頂部子電池制造了單片兩端（2T）全鈣鈦礦串聯太陽能電池。性能最佳的串聯器件在反向測量時表現出16.02 (16.06)?mA?cm?2 的高 Jsc、2.11 (2.12)?V的Voc、82.20 (78.47)%的FF和27.84 (26.75)%的PCE（正向）電壓掃描，加上27.62%的SPO效率。獨立實驗室認證表明反向和正向電壓掃描的效率分別為27.34%和27.12%。作者還提供了32個2T全鈣鈦礦串聯太陽能電池的光伏參數統計，顯示出良好的再現性。器件的長期運行穩定性和儲存穩定性表明，在55°C下持續1太陽照射380小時后，未封裝的串聯器件的PCE保留了其原始PCE的 80%，封裝的串聯器件在室溫下N2氣氛中儲存2000小時后仍保持其初始PCE的95%，展示了其在未來生產高效、穩定性好的串聯太陽能電池的潛力。
展望
總之，作者為窄帶隙子電池開發了天冬氨酸一體化摻雜策略，表明單一AspCl添加可以有效鈍化缺陷、減少Sn4+雜質并改變費米能級，通過構建分子鎖提高Sn-Pb鈣鈦礦的穩定性。最終獲得了性能優異、穩定性強的單結電池和串聯電池，為生產高效、穩定性好的串聯太陽能電池提供了重要研究基礎。 Zhou, S., Fu, S., Wang, C. et al. Aspartate all-in-one doping strategy enables efficient all-perovskite tandems. Nature (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-06707-z
