截止2022年4月14日，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，2022年Nature已發(fā)表相關(guān)文章（Research）4篇，此篇為第5篇，依次為：多結(jié)太陽(yáng)能電池，可以克服單結(jié)器件的基本效率限制。金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的帶隙可調(diào)性，使其成為具有吸引力的多結(jié)結(jié)構(gòu)。目前，已經(jīng)報(bào)道了硅和銅硒化銦鎵(CIGS)的組合以及全鈣鈦礦串聯(lián)電池。與此同時(shí)，窄間隙非富勒烯受體，為有機(jī)太陽(yáng)能電池開(kāi)啟了極高的效率。有機(jī)和鈣鈦礦半導(dǎo)體是一個(gè)有吸引力的組合，共享類(lèi)似的加工技術(shù)。目前，鈣鈦礦有機(jī)串聯(lián)管的效率較低，并受到寬間隙鈣鈦礦電池的低開(kāi)路電壓(Voc)和亞電池之間互連帶來(lái)的損耗的限制。在此，來(lái)自德國(guó)伍伯塔爾大學(xué)的K. O. Brinkmann & T. Riedl等研究者，展示了鈣鈦礦-有機(jī)串聯(lián)電池的效率為24.0%(認(rèn)證為23.1%)，Voc高達(dá)2.15 V。相關(guān)論文以題為“Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect”于2022年04月13日發(fā)表在Nature上。多結(jié)太陽(yáng)電池，通常被設(shè)計(jì)成具有互補(bǔ)吸收光譜的寬帶隙和窄帶隙亞電池的串聯(lián)。改善與太陽(yáng)光譜的重疊和減少熱化損失，是克服單結(jié)的肖克利-奎瑟效率極限的關(guān)鍵。雜化金屬鹵化物鈣鈦礦作為太陽(yáng)能電池的光活性材料，受到了廣泛的關(guān)注。它們典型的ABX3組成包括甲銨(MA+)，甲酰胺(FA+)或A位上的Cs+離子，B位上的Pb2+離子和X位上的鹵化物離子，如I–或Br–。該家族的一些成員，如FAxCs1-xPb(IyBr1-y)3，提供了帶隙能(Eg)在1.5到2.3 eV之間的可調(diào)諧性，主要是通過(guò)I:Br比的變化。全鈣鈦礦串聯(lián)電池需要窄間隙材料(Eg <1.3 eV)，其中鉛部分被錫取代。然而，嚴(yán)重的穩(wěn)定性問(wèn)題與Sn2+到Sn4+的不需要的轉(zhuǎn)變有關(guān)，這導(dǎo)致了非有意的p型摻雜和器件性能的整體退化。添加劑可以在一定程度上減緩這一效應(yīng)，例如在活性層內(nèi)部有多余的犧牲Sn(0)。另外，c-Si或銅-銦-硒化鎵背電池，已經(jīng)與寬間隙鈣鈦礦正面電池結(jié)合使用。其中一些串聯(lián)的性能，已經(jīng)超過(guò)了最好的c-Si單連接。缺點(diǎn)是，鈣鈦礦/c-Si串聯(lián)裝置不兼容低溫、低成本、大面積生產(chǎn)，這是鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)經(jīng)常引用的愿景。在這方面，有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)代表了一個(gè)有吸引力的選擇作為窄間隙背面電池。OSCs通常基于所謂的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這是由一個(gè)供體聚合物和一個(gè)富勒烯衍生物作為受體的混合形成的。由于富勒烯能量水平的可調(diào)性有限，OSCs的進(jìn)展在大約11%的效率水平時(shí)停滯不前。然而，隨著最近非富勒烯受體(NFAs)的引入，OSCs開(kāi)始看到第二波顯著的進(jìn)步，這使其效率超過(guò)了18%。這一進(jìn)展主要來(lái)自于受體部分較窄的能隙，以及激子的高效解離，這種解離只需要施主和受體之間很小的能量抵消，與Eg/q相比，這是釋放Voc中較低損耗的關(guān)鍵，而q是基元電荷，同時(shí)仍然提供高的外部量子效率(EQE)，因此高短路電流密度(Jsc)。在這里，研究者演示了展示了鈣鈦礦-有機(jī)串聯(lián)電池的效率為24.0%(認(rèn)證為23.1%)，Voc高達(dá)2.15 V。優(yōu)化的電荷提取層，提供了鈣鈦礦亞晶胞與高Voc和填充因子的杰出組合。有機(jī)亞晶胞在近紅外下提供了高的外部量子效率，與典型的關(guān)注非富勒烯細(xì)胞有限的光穩(wěn)定性相反，如果激子主要在非富勒烯受體上產(chǎn)生，則顯示了出色的操作穩(wěn)定性，這就是研究者串聯(lián)的情況。亞晶胞由一層超薄(約1.5納米)類(lèi)金屬氧化銦層連接，具有前所未有的低光/電損耗。這項(xiàng)工作為鈣鈦礦有機(jī)串聯(lián)建立了一個(gè)里程碑，它超越了最好的鈣鈦礦單一結(jié)，并與鈣鈦礦CIGS和全鈣鈦礦多結(jié)相當(dāng)。
圖1. 有機(jī)亞晶胞的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
圖2. 優(yōu)化的寬間隙鈣鈦礦亞晶胞
圖3. 串聯(lián)連接
圖4. 鈣鈦礦-有機(jī)串聯(lián)電池參考文獻(xiàn)
Brinkmann, K.O., Becker, T., Zimmermann, F.?et al.?Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect.?Nature?604,?280–286 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04455-0
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