研究背景
隨著全球能源需求的不斷增加和對環(huán)境保護(hù)要求的提高，太陽能作為一種可再生能源受到了廣泛關(guān)注。尤其是晶體硅太陽能電池，憑借其卓越的效率、豐富的材料供應(yīng)和長期可靠性，長期以來在光伏市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，晶體硅電池的進(jìn)一步性能提升面臨著如Auger復(fù)合和寄生吸收等問題，這些因素限制了其光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高。為了突破這些限制，科學(xué)家們提出了一種新的策略，即在硅基異質(zhì)結(jié)（SHJ）電池頂部整合寬帶隙金屬鹵化物鈣鈦礦，形成鈣鈦礦/硅串聯(lián)電池。該策略通過最小化載流子熱化損失，顯著提升了光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。鈣鈦礦/硅串聯(lián)電池因此受到了廣泛關(guān)注，近期已有多個研究團(tuán)隊(duì)展示了超過31%的獨(dú)立認(rèn)證PCE，這表明這一策略在提升電池性能方面的潛力。當(dāng)前的高效串聯(lián)太陽能電池通常采用倒置的p-i-n結(jié)構(gòu)，以結(jié)合低寄生吸收和漸變折射率薄膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。然而，p-i-n型鈣鈦礦器件在鈣鈦礦與C60界面處存在強(qiáng)界面復(fù)合，導(dǎo)致開路電壓（Voc）虧損較大，從而影響了功率輸出。為了解決這一問題，研究者們探索了多種方法，如引入超薄LiF或MgFx夾層，以改善能帶對準(zhǔn)并減少非輻射復(fù)合。此外，通過在鈣鈦礦表面使用界面封蓋層（如銨配體或功能性反應(yīng)化合物）也取得了一定的效果。然而，這些方法在p-i-n結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用面臨著挑戰(zhàn)，主要是如何在最小化復(fù)合損失和限制接觸電阻之間取得最佳平衡。 針對這一挑戰(zhàn)，隆基綠能Jiang Liu、Xixiang Xu、Bo He、Zhenguo Li、蘇州大學(xué)Xiaohong Zhang、香港理工大學(xué)Jun Yin和華能清潔能源研究院Ping Xiao課題組合作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Perovskite-silicon tandem solar cells with bilayer interface passivation”的最新論文。研究提出了一種雙層界面鈍化策略。該策略首先利用超薄的LiF層進(jìn)行接觸置換和場鈍化，然后進(jìn)一步沉積短鏈乙二胺二碘化物（EDAI）分子。LiF層主要用于接觸置換，而EDAI分子則化學(xué)鈍化了LiF層未接觸到的未鈍化區(qū)域，在鈣鈦礦/C60界面處形成納米級局部接觸，從而在鈍化和電荷提取之間提供了最佳平衡。作者在雙面紋理化的區(qū)熔（CZ）硅異質(zhì)結(jié)電池上構(gòu)建了鈣鈦礦-硅串聯(lián)器件，這種電池具有輕微紋理化的前表面和高度紋理化的后表面，增強(qiáng)了光電流的同時保持了后側(cè)鈍化效果。最終，作者成功實(shí)現(xiàn)了一個認(rèn)證的穩(wěn)定PCE為33.89%的鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池，填充因子達(dá)到83.0%，開路電壓接近1.97伏。這一成果不僅突破了單結(jié)Shockley-Queisser極限（33.7%），還為鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池的高效能提升提供了新的技術(shù)路徑和理論依據(jù)。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次提出了一種雙層交織鈍化策略，結(jié)合了納米級分布的超薄LiF層和二碘化雙銨分子，成功應(yīng)用于鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池中。通過這一策略，有效地抑制了寬帶隙鈣鈦礦/電子傳輸層界面的非輻射復(fù)合，同時保證了高效的電子提取。（2）實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建雙面紋理化的區(qū)熔（CZ）硅異質(zhì)結(jié)電池，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池的優(yōu)化。前表面采用輕微紋理化設(shè)計(jì)，后表面則是高度紋理化，從而在增強(qiáng)光電流的同時保持了后側(cè)的鈍化效果。（3）最終結(jié)果顯示，所制備的鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池的認(rèn)證穩(wěn)定光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到了33.89%，填充因子（FF）為83%，開路電壓（Voc）接近1.97伏。這一成果首次超過了單結(jié)Shockley-Queisser極限（33.7%），在光伏領(lǐng)域具有重要意義。
圖文解讀
總結(jié)展望
本文展示了鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池在提升光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）方面的巨大潛力，尤其是在突破單結(jié)Shockley-Queisser理論極限的背景下具有重要意義。通過巧妙的雙層交織鈍化策略，利用納米級離散分布的LiF超薄層和二碘化雙銨分子層，成功抑制了寬帶隙鈣鈦礦/電子傳輸層界面的非輻射復(fù)合，同時維持了優(yōu)異的電荷傳輸性能。這種策略不僅增強(qiáng)了電子提取，還顯著提升了串聯(lián)電池的光電流和整體性能。此外，本文采用了雙面紋理化區(qū)熔硅片，在保證后側(cè)鈍化效果不受影響的同時，進(jìn)一步提升了光電流表現(xiàn)。這一創(chuàng)新技術(shù)使得鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池的PCE達(dá)到了33.89%，為未來高效太陽能電池的設(shè)計(jì)提供了新的思路，尤其在超越單結(jié)電池性能瓶頸方面展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。Liu, J., He, Y., Ding, L. et al. Perovskite-silicon tandem solar cells with bilayer interface passivation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07997-7
