空穴接触层助力晶硅-钙钛矿叠层电池创造近30%效率纪录

受限于固有带隙问题,单结电池效率存在肖克利-奎伊瑟效率极限(S-Q极限,约32%)。而将基于不同带隙(光谱响应范围不同)光敏材料的太阳电池进行串联构建叠层太阳电池被认为是电池效率突破单结电池S-Q极限强有力的技术路径。

由德国亥姆霍兹材料与能源研究中心Steve Albrecht教授课题组牵头的国际联合研究团队设计开发了一种自组装的甲基取代咔唑单分子层材料Me-4PACz,作为空穴接触层覆盖在空穴层表面,一方面该接触层增强了空穴的抽取效率,另一方面起到了界面钝化作用,从而有效地抑制了界面非辐射复合提升了开路电压和填充因子,进而增强了电池性能。研究人员在此基础上制备了钙钛矿-晶硅双结叠层太阳电池,1cm2有效辐照面积器件获得了高达29.15%的认证效率,创造了新的世界纪录(此前纪录是28%,由牛津光伏公司创造)。为了与晶硅太阳电池(作为底电池)形成良好的光谱互补吸收匹配,需要构建对近红外光(800-1100 nm)具备优异的透射率,以保证晶硅底电池能够充分吸收近红外光的钙钛矿顶电池,意味着钙钛矿电池的禁带宽度要控制在1.6 eV左右。为此,研究人员通过对钙钛矿组分的调控获得了禁带宽度为1.68 eV的三阳离子混合钙钛矿薄膜Cs0.05(FA0.77MA0.23)0.95Pb(I0.77Br0.23)3,最后组装成完整电池器件。实验研究发现含有单分子层Me-4PACz电池器件的开路电压和填充因子同时得到了提升,前者从1.13V增加到1.23V,填充因子从78.2%增加到了84%,进而提升了电池转换效率,从18%增加到了20%。通过光致发光谱测试可以发现,引入单分子层Me-4PACz钙钛矿薄膜的空穴抽取效率提高,界面非辐射复合损失减少,是电池性能改善的主要原因。接着以含有单分子层Me-4PACz钙钛矿电池为顶电池,以晶硅电池为底电池组装成双结叠层太阳电池并测试了其光电性能。结果显示电池获得了逼近30%的高转换效率,为29.15%,且通过了德国弗劳恩霍夫太阳能研究所的认证,创造了钙钛矿-晶硅双结叠层电池效率新纪录。研究人员进一步探索了电池的长程稳定性,在未封装的情况下电池运行300小时后仍可保持95%的初始效率,呈现出优异的稳定性。

图1 引入和未引入单分子层Me-4PACz钙钛矿电池电化学性能表征

该项研究精心设计制备了空穴有机分子覆盖层,有效地增强了空穴抽取效率并抑制了界面复合,增强了钙钛矿电池性能,最终与晶硅电池串联形成的叠层电池获得了创纪录转换效率,为效率突破30%提供了关键的技术路径。相关研究成果发表在《Science》。