研究成就与看点
本研究成功开发了一种名为「定制二维钙钛矿层」(TTDL) 的新型界面层，应用于广带隙 (WBG) 钙钛矿太阳能电池 (PSC)，有效提升了组件性能，特别是在平方公分规模的电池上。
TTDL由 F-PEA 和 CF3-PA 混合而成，其中 F-PEA 形成二维钙钛矿，降低接触损耗并提升均匀性，而 CF3-PA 则增强电荷提取和传输。
藉由 TTDL 的引入，研究团队实现了 1.77-eV WBG PSC 在平方公分规模下高达 1.35 V 的开路电压和 20.5% 的效率。
将此 WBG PSC 与窄带隙 (NBG) 钙钛矿子电池堆栈，研究团队制造出 1.05 平方公分的全钙钛矿串联电池，效率高达 28.5%（认证效率为 28.2%），创下目前所有报导中的最高纪录。
本研究突出了处理顶部钙钛矿/电子传输层 (ETL) 接触面对于提升钙钛矿太阳能电池规模化的重要性。
研究团队
作者:这篇关于全钙钛矿串联太阳能电池的文章是由一个大型国际研究团队共同撰写的，主要通訊作者包括：
谭海仁 (Hairen Tan)：来自中国南京大学
Samuel D. Stranks：来自英国剑桥大学
Lijun Zhang：来自中国吉林大学
第二部分：研究背景
近年来，窄带隙和宽带隙（分别简称NBG和WBG）钙钛矿材料的进展促进了串联器件的发展，包括小面积（约0.1 cm2有效面积）的全钙钛矿串联太阳能电池，其最佳认证功率转换效率（PCE）超过28%。1 然而，有效面积≥1 cm2的全钙钛矿串联器件的认证PCE仅为26.4%。 WBG钙钛矿太阳能电池仍有很大的改进空间，特别是对于大面积器件。
第三部分：解决方案与实验过程
解决方案
本研究发现 C60 的沉积不仅会在界面处引入高密度的缺陷，还会导致钙钛矿表面静电势不均匀，从而导致器件性能不均匀。为了解决这个问题，研究团队提出了一种创新的方法，即在界面处引入 F-PEA 和 CF3-PA 的混合物，形成「定制二维钙钛矿层」(TTDL)。
F-PEA 会在表面形成二维钙钛矿，减少接触损耗并提高均匀性。
CF3-PA 则增强电荷提取和传输。
实验过程与步骤
材料制备:
本研究中使用的所有材料均为市售产品，未经进一步纯化。
研究人员根据文献中提供的配方，制备了广带隙 (WBG) 和窄带隙 (NBG) 钙钛矿前驱体溶液。
F-PEACl 和 CF3-PACl 分子分别溶解于异丙醇 (IPA) 中，制备成浓缩溶液，再用 IPA 稀释至所需浓度。
EDAI2 分子也溶解于 IPA 中，制备成所需浓度的溶液。
2. 组件制备:
在 ITO 玻璃基板上依次沉积 NiOx、SAM 和钙钛矿层。
钙钛矿层采用两步旋涂法沉积，并使用茴香醚作为反溶剂。
将插入层溶液滴加到沉积的钙钛矿薄膜上，旋涂后进行退火处理。
然后通过热蒸发依次沉积 C60、SnO2 和 Cu，形成 WBG PSC。
对于串联电池，先制备 WBG 子电池，然后在 WBG 子电池上通过热蒸发沉积 Au 簇层、旋涂 PEDOT: PSS 层，再沉积 NBG 钙钛矿层。
最后通过热蒸发沉积 C60 和 Au，形成完整的串联电池。
3. 制备过程中发现:
使用茴香醚作为反溶剂，可以改善 WBG 钙钛矿薄膜的结晶度和均匀性。
引入 CF3-PA 会破坏二维钙钛矿的生长。
F-PEA 和 CF3-PA 阳离子会优先聚集在钙钛矿薄膜的表面。
第四部分：研究成果表征
本研究采用了多种表征手段来分析 TTDL 的形成机制和功能，以及 TTDL 对 WBG PSC 和全钙钛矿串联电池性能的影响。
l 太阳能电池的J-V特性测量: 文献中提到，使用光焱科技的太阳光模拟器在 100 mW cm-2 的光强度下测量单结和串联太阳能电池的电流密度-电压 (J-V) 特性。
图 3b:展示了 1.05 cm2 控制组、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太阳能电池的 J-V 曲线。从图中可以清楚地看到 TTDL 器件在开路电压 (VOC) 和填充因子 (FF) 上的提升。
图 3d: 展示了 TTDL WBG 太阳能电池 (有效面积 1.05 cm2) 的 J-V 曲线，并标示了正向和反向扫描的结果。
l 图 4b: 展示了 26 个最佳性能串联器件的 J-V 曲线，并包含正向和反向扫描的结果，显示器件几乎没有迟滞现象。
· 光致发光 (PL)：
团队利用 PL来研究 WBG 钙钛矿薄膜的均匀性和 C60 沉积对薄膜表面的影响。通过比较沉积 C60 前后薄膜的 PL 强度分布，作者发现 C60 的沉积会导致薄膜表面缺陷密度的增加和静电势的不均匀分布，进而影响器件性能的均匀性。
图 1a: 展示了沉积 C60 前后，玻璃/ITO/NiO/SAM/钙钛矿薄膜的 PL 显微镜图像和直方图。从图中可以清楚地看到，沉积 C60 后，PL 强度下降，且 PL 强度分布的标准偏差 (σ) 增加，表明 C60 的沉积导致了薄膜表面缺陷密度的增加和静电势的不均匀分布。
图 1b: 展示了不同插入层对玻璃/ITO/NiO/SAM/钙钛矿/插入层/C60 薄膜堆栈结构的 PL 映像图像的影响。通过比较不同插入层的 PL 图像，可以直观地观察到 TTDL 处理后的薄膜具有最高的 PL 强度和最佳的均匀性。
图 1e: 展示了沉积 C60 前后，玻璃/ITO/NiO/SAM/钙钛矿/TTDL 薄膜的 PL 显微镜图像和直方图。与图 1a 的结果相比，使用 TTDL 后，沉积 C60 后的 PL 强度分布标准偏差 (σ) 几乎没有变化，表明 TTDL 能有效抑制 C60 沉积对薄膜均匀性的影响。
补充图 7 和 8: 提供了更多不同区域的 PL 显微镜图像和直方图，进一步左证了 C60 沉积对薄膜均匀性的影响，以及 TTDL 在抑制这种影响方面的效果。
EL-EQE: 本研究使用 EL-EQE 系统测量了 WBG 和 NBG 单结器件以及串联器件中子电池的 EL-EQE，并计算出相应的 QFLSEL。
JSC、EQE 的分析
图 1c 展示了具有不同插入层的 1.05 平方公分 WBG PSC 的 EQE 光谱。TTDL 钙钛矿表现出最高的 JSC (18.4 mA/cm2)。
图 3a 比较了在相同批次中制备的控制组、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太阳能电池（1.05 平方公分，每种类型 15 个器件）的光伏性能。TTDL 器件的平均 PCE 为 18.8 ± 0.7%，平均 Voc 为 1.33 V。
图 3b 展示了最佳 1.05 平方公分控制组、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太阳能电池的 J-V 曲线。
图 3d 和 3e 分别展示了最佳 TTDL WBG 太阳能电池（有效面积 1.05 平方公分）的 J-V 曲线和 EQE 光谱。最佳 TTDL 器件在反向扫描下表现出 20.4% 的 PCE (Voc = 1.35 V，Jsc = 18.4 mA/cm2，FF = 82.1%)。EQE 光谱的积分 JSC 值为 18.6 mA/cm2，与 J-V 特性吻合良好。
表 1 列出了最佳钙钛矿太阳能电池（有效面积 1.05 平方公分）的光伏参数。
推薦光焱科技 LQ-100X-PL 光致发光与发光量子光学检测仪
除了PLQY检测外，还可进行PL光谱随时间变化连续测试，
并绘制成2D或3D显示图-称为原位时间解析PL光谱图。
其他表征
掠入射广角X射线散射 (GIWAXS): 图 2a 展示了控制组、F-PEA 和 TTDL 钙钛矿薄膜的 GIWAXS 图谱。结果显示，与 F-PEA 薄膜相比，TTDL 薄膜中二维钙钛矿的衍射峰减弱，表明 CF3-PA 的引入会破坏二维钙钛矿的生长。
X射线光电子能谱 (XPS): 研究人员利用 XPS 分析了处理过的钙钛矿表面。在 686.6 eV 和 687.4eV 处的 F1S 信号分别表明 F-PEA 和 CF3-PA 存在于钙钛矿样品中。
深度剖析扫描电子显微镜 (SEM): 图 4a 展示了全钙钛矿串联太阳能电池的横截面 SEM 图像。
光谱密度泛函理论 (DFT) 计算: 研究人员进行了第一性原理计算，以研究 CF3-PA 对 F-PEA 基二维钙钛矿结构和电子特性的影响。他们发现 CF3-PA 的引入会导致二维钙钛矿中 CBM 向下移动。此外，计算出的缺陷形成能表明，基于 F-PEA 的二维钙钛矿在抑制界面缺陷形成方面发挥着重要作用。
图 2e 展示了计算得到的 F-PEA 基二维钙钛矿和 TTDL 部分区域中可能的分子排列的电子波函数分布，即在 CBM 以上 0.3 eV 能量范围内积分的局部电荷密度。
图 2f 和 2g 分别显示了具有不同点缺陷的 3D 钙钛矿/C60 和 2D 钙钛矿/C60 界面的计算态密度 (DOS) 和 C60 的吸附能。
第五部分：研究成果
本研究成功开发了一种名为「定制二维钙钛矿层」(TTDL) 的新型界面层，应用于广带隙 (WBG) 钙钛矿太阳能电池 (PSC)，有效提升了组件性能，特别是在平方公分规模的电池上 。通过在 WBG 钙钛矿和 C60 电子传输层之间引入 TTDL，研究团队成功地解决了 C60 沉积导致的界面缺陷和静电势不均匀问题，从而显著提高了 WBG PSC 的效率和均匀性。
TTDL 的主要研究成果如下：
显著提高了 WBG PSC 的性能: 藉由 TTDL 的引入，1.77-eV WBG PSC 在平方公分规模下实现了 1.35 V 的高开路电压和 20.5% 的效率。与未经处理的控制组器件相比，TTDL 器件的平均 PCE 提高了 1.7%，平均 Voc 提高了 40 mV 。
提升了 WBG PSC 的均匀性: TTDL 中的 F-PEA 可以形成二维钙钛矿，有效地钝化了钙钛矿/C60 界面，减少了缺陷密度，并改善了界面处的静电势分布。 PL 显微镜图像显示，TTDL 器件的 PL 强度分布更加均匀，标准偏差从控制组样品的 5.2% 降低到 3.4%。
增强了电荷提取和传输: TTDL 中的 CF3-PA 可以降低二维钙钛矿的导带最小值 (CBM)，改善了钙钛矿和 C60 之间的能级匹配，从而增强了电荷提取和传输。 瞬态光致发光 (TRPL) 研究表明，与控制组器件相比，TTDL 器件的载流子寿命更长，表明界面电荷复合得到了抑制。
实现了高效的全钙钛矿串联太阳能电池: 将 TTDL WBG PSC 与 1.25-eV NBG PSC 堆栈，研究团队制造出 1.05 平方公分的全钙钛矿串联电池，效率高达 28.5%（认证效率为 28.2%），创下目前所有报导中的最高纪录。
本研究的主要贡献在于开发了一种简单有效的界面工程策略，可以显著提高 WBG PSC 的性能和均匀性，为大规模制造高效稳定的全钙钛矿串联太阳能电池提供了新的思路。
文献参考自NATURE_DOI: 10.1038/s41586-024-08158-6
本文章为Enlitech光焱科技改写 用于科研学术分享 如有任何侵权 请来信告知
