特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，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。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
混合鹵化物鈣鈦礦研究的快速進展為開發下一代光伏器件開辟了數條途徑。憑借其理想的光電特性，單結太陽能電池已實現26.1%的認證功率轉換效率 (PCE)。值得注意的是，將鈣鈦礦吸收劑集成到晶體硅電池上以構建鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池 (PST) 可以進一步利用硅電池的工業優勢，并為鈣鈦礦太陽能電池的市場滲透提供捷徑。
關鍵問題
然而，PST的應用主要存在以下問題：
1、PST的長期運行穩定性仍令人擔憂
PST 在頂部電池中使用寬帶隙 (WBG) 鈣鈦礦吸收劑，串聯結構的WBG吸波體存在結晶性差和織構度弱的問題，導致實際工作過程中存在嚴重的鹵-陽離子混合離子遷移和相分離現象，進而縮短器件壽命。
2、目前的研究局限于對結晶的驚喜控制上，對成核控制關注較少
薄膜生長通常從核開始，核在決定最終薄膜性質方面起著重要作用。雖然大多數努力都集中在對結晶的精細控制上，但對控制核（尤其是相和成分）的關注卻很少。
新思路
有鑒于此，北京理工大學陳棋、陳怡華和曜能科技Wu Yiliang等人通過在富溴聚集體和2H相形成之前成核3C相來控制對組分不敏感的WBG薄膜生長。所得到的WBG吸收器顯示出改善的結晶度和強織構，抑制了非輻射復合，增強了對各種老化應力的抵抗能力。鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池在25平方厘米的活性面積上實現了29.4 %的( 28.8 %由第三方評估)，在1平方厘米的活性面積上實現了32.5 %的能量轉換效率。這些太陽能電池在封裝時最大功率點( AM 1.5G照明,全光譜, 1-sun)處，25 °C和50 °C下分別工作1301和800小時后保持了98.3和90 %的原始效率。
技術方案：
1、實現了3C相的普遍成核
作者通過核工程和薄膜沉積技術，實現了WBG吸收劑的高質量結晶，增強了光電性能和穩定性。
2、探究了晶核工程的結晶機制
作者利用OAmI優化WBG薄膜結晶，實現了無需后處理的強(001)面取向和3C相直接形成，提升了薄膜質量和光電性能。
3、分析了PST器件效率和大面積均勻性
作者通過核工程優化WBG鈣鈦礦薄膜，實現了高效率、穩定性的光伏器件，單片PST效率達32.5%，大面積器件效率29.4%，展現了商業應用潛力。
4、證實了核工程顯著提升了WBG吸收劑的結晶度和熱穩定性
作者表面核工程可以提升WBG吸收劑穩定性，目標薄膜在高溫和光照下表現卓越，PST太陽能電池在MPP跟蹤下維持高效率，適合平流層應用。
技術優勢：
1、提出了利用核工程促進3C相的成核
作者報告了一種核工程方法，能夠促進3C相的成核，而不受前體成分的限制。這種成核技術普遍適用于多種常見的核，包括那些通常不需要的富含Br和/或2H的相簇。
2、獲得了提高PST穩定性和效率的WBG吸收劑
本工作開發的WBG吸收劑在非輻射復合減少、熱降解、離子遷移和相分離方面顯示出增強的穩定性。基于WBG吸收劑的冠軍PST，其在1cm2的面積上達到了32.5%的PCE，在25 cm2的有效面積上達到了29.4%的PCE，同時還具備長穩定性。
技術細節
不依賴組分的晶體生長
作者通過創新的核工程方法，實現了3C相的普遍成核，有效抑制了WBG吸收劑結晶過程中不良中間體的形成。通過在前體中添加油基碘化銨(OAmI)，成功實現了無差別的I-Br分布，促進了富含Br和2H相簇的3C核的形成。此外，開發了一種薄膜沉積技術，結合核調節和定向晶體生長，制造出具有均勻晶體取向的高質量WBG吸收器。通過XRD和GIWAXS測試，發現不同配方的WBG吸收器展現出不同的晶體度和紋理特征。特別是，設計的樣品在XRD中顯示出增強的(001)晶面衍射強度和減小的半峰全寬，表明結晶度和質地的顯著提高。這些改進的晶體質量與吸收體的缺陷特性和載流子行為密切相關，通過PL測試和QFLS增強量化了能量損失的減少，預示著更高的開路電壓(VOC)。同時，Urbach能量(EU)的下降表明了結構缺陷的減少，進一步提高了光電性能。
圖 不同 WBG 吸收器的晶體學和光電特性
晶核工程的結晶機制
作者通過旋涂法制備了含與不含油基碘化銨(OAmI)的WBG-B薄膜，并在室溫下結晶，無需后處理。SEM觀察到，含OAmI的目標樣品形成微米級立方體，而對照樣品呈針狀。GIWAXS和XRD分析表明，目標樣品具有(001)面優先取向的強紋理，而對照樣品則顯示出較弱的紋理。通過原位GIWAXS和PL測量，發現目標樣品在結晶過程中直接形成3C相，避免了2H相的形成。此外，還探索了真空和氣體淬火工藝，以穩定定制核并促進高度取向的鈣鈦礦薄膜生長。核工程試劑的擴展到其他長鏈烷基胺配體，如正辛基碘化銨，進一步證明了核工程的普適性。這些發現為制備高質量WBG鈣鈦礦薄膜提供了新的策略。
圖 寬帶隙吸收體核工程實驗研究
器件效率和大面積均勻性
作者通過使用WBG-B吸收劑和3% MAPbCl3合金，成功制造了具有改進晶體質量的光伏器件。時間分辨PL測量顯示，目標薄膜的載流子壽命顯著延長，表明非輻射復合中心減少。通過優化OAmI濃度，提升了器件的開路電壓(VOC)和填充因子(FF)。采用硅異質結(SHJ)作為底部電池，制作了單片PST，實現了32.5%的PCE和1.96V的VOC。在連續跟蹤2000秒后，觀察到穩定功率輸出(SPO)為32.4%。此外，還探索了大面積WBG薄膜的制備，并在25 cm2的單片PST中實現了29.4%的PCE。這些結果表明，通過核工程優化的WBG鈣鈦礦薄膜具有高效率、穩定性和可擴展性，為商業光伏應用提供了新的可能性。
圖 1 cm2和25 cm2 PST電池的光伏性能
長期運行的耐用性
作者通過核工程顯著提升了WBG吸收劑的結晶度和熱穩定性。在85°C的熱老化測試中，目標薄膜展現出比對照組更強的(00h)取向保持能力和抗PbI2降解能力。原位PL測量顯示目標薄膜在連續光照下具有優異的光穩定性，非原位2D PL映射測試進一步證實了這一點。在偏壓穩定性測試中，目標薄膜也表現出更好的離子遷移抵抗力。長期工作穩定性測試表明，核工程優化的PST太陽能電池在MPP跟蹤下能保持98.3%的初始效率，遠高于對照組。此外，濕熱測試和航空航天環境模擬也證明了目標設備的卓越穩定性，為平流層應用提供了可行性。
圖 WBG吸收體在老化應力下的穩定性以及耐用的PST器件在長期運行中的穩定性
展望
總之，作者展示了通過核工程制造高晶體質量的混合鹵化物和陽離子 WBG 鈣鈦礦薄膜，方法是將鹵化物分布均勻的3C 相成核，以富含Br和2H相核為主。該策略適用于五種廣泛使用的 WBG 吸收劑。優異的結晶性和強質地降低了非輻射復合損失，提高了對離子遷移和相分離的抵抗力。基于所得的 WBG 吸收劑，冠軍PST設備實現了32.5%的冠軍PCE。大面積PST設備也顯示出29.4% 的PCE。優化后的 PST 器件表現出更好的長期穩定性，它們在 25° 和 50°C 下運行，在標準照明下進行 MPP 跟蹤，運行時間為 1301 和 800 小時，初始效率分別損失約 1.7% 和 10%。
參考文獻：
YIHUA CHEN, et al. Nuclei engineering for even halide distribution in stable perovskite/silicon tandem solar cells. Science, 2024, 385(6708): 554-560
DOI: 10.1126/science.ado9104
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9104
