全钙钛矿叠层太阳能电池最新研究进展

全钙钛矿叠层太阳能电池能够突破单结太阳能电池肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser，S-Q）效率理论极限，兼备高效率和低成本突出优点，极具应用前景。然而，全钙钛矿叠层太阳能电池的效率提升，在很大程度上受制于锡-铅（Sn-Pb）混合窄带隙钙钛矿薄膜表面缺陷引起的非辐射复合损失。Sn-Pb混合钙钛矿薄膜表面缺陷的产生主要是由于Sn2+离子与有机阳离子的反应速率比Pb2+离子更快，导致Sn-Pb混合钙钛矿结晶过程难以控制。而且，这一现象会进一步导致Sn2+离子在Sn-Pb混合钙钛矿薄膜的上表面聚集。这些积累的Sn2+离子很容易被氧化，形成Sn4+的自掺杂缺陷。此外，钙钛矿薄膜退火过程中，有机铵盐易挥发，导致钙钛矿表面也存在大量的有机铵阳离子空位缺陷（VA）和I−空位缺陷（VI）。这些缺陷不仅会导致Sn-Pb混合钙钛矿薄膜表面偏离最佳化学计量比，而且会引起严重载流子非辐射复合损失。因此，发展有效的表面修饰策略来修复或钝化上述缺陷是抑制非辐射复合损失，进而提升器件光电转化效率的关键。

针对上述问题，华中科技大学武汉光电国家研究中心陈炜、刘宗豪团队提出了一种以1,4-丁二胺（BDA）和乙二胺碘化铵（EDAI2）作为表面改性剂的表面重构策略，以制备高质量的Sn-Pb混合钙钛矿膜。研究结果表明，BDA对Sn-Pb混合钙钛矿膜表面的化学抛光作用能够有效减少Sn4+表面缺陷，EDAI2则有助于实现对VA和VI等缺陷的有效表面钝化（图1）。利用上述BDA-EDAI2表面重构策略，获得了接近理想化学比和均匀表面电位的高质量Sn-Pb钙钛矿表面。进而，在钙钛矿/电子传输层界面上形成了良好的能级对准，减少了非辐射复合损失，消除了薄膜残余应力（图2）。基于该方法的1.32和1.25 eV带隙Sn-Pb钙钛矿单结电池光电转化效率分别达到了22.65%和23.32%（图3）。此外，串联全钙钛矿叠层太阳能电池第三方权威机构认证效率高达28.49%（有效面积为0.0871 cm2）。另外，该方法也能够兼容大面积模组器件制备，基于该方法的孔径面积为11.3 cm2的模组获得了23.39%的最佳效率。此外，封装后的叠层电池在环境空气中最大功率点跟踪（MPPT）下连续运行550小时后，仍能够保持其初始效率的79.7%（图4）。上述器件效率与稳定性参数均达到了国际先进水平。

该论文近期以“Surface chemical polishing and passivation minimize non-radiative recombination for all-perovskite tandem solar cells”为题发表在Nature Communications上。华中科技大学潘永妍硕士、王佳楠博士为论文的共同第一作者，华中科技大学陈炜教授、刘宗豪副教授为共同通讯作者，华中科技大学为唯一通讯单位。该研究工作得到了光谷实验室创新计划、科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、华中科技大学自主创新研究基金、湖北省自然科学基金等项目资助。陈炜、刘宗豪团队致力于反式钙钛矿太阳能电池的基础应用研究。近期最新的反式电池高效率和高稳定性论文也陆续发表在Nature Energy（Nature Energy, 2023, 8, 839，第一单位）、 Science（Science, 2023, 380, 404, 合作单位）、Nature Communications（Nature Communications, 2023, 14, 6120, 第一单位）和Nature（Nature, 2024, 632, 536-542, 第一单位）。鉴于反式单结电池能够很好地兼容叠层电池，团队也将单结钙钛矿电池研究方法与策略拓展至全钙钛矿叠层太阳能电池研究，并取得了丰富的研究成果。逐步发展了宽带隙钙钛矿相偏析抑制方法（Nano Energy, 2024, 128, 109984; Small Methods, 2024, 2400067），Sn-Pb钙钛矿Sn2+离子氧化抑制策略（Nano Energy, 2023, 118, 108937），Sn-Pb钙钛矿双分子结晶调控策略（Advanced Energy Materials, 2024, 2402171），Sn-Pb钙钛矿表面化学抛光和钝化策略（Nature Communications, 2024, 15, 7335）。

图1：基于BDA和EDAI2的Sn-Pb钙钛矿薄膜表面化学抛光和钝化作用

图2: BDA和EDAI2协同钝化钙钛矿膜表面，有效抑制非辐射复合损失、优化能级对准、消除残余应力

图3：基于BDA和EDAI2表面化学抛光和钝化策略的理想带隙Sn-Pb钙钛矿电池器件性能