30.2%！印度理工學院制備出高效率透明鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池

透明的四端鈣鈦礦太陽能電池采用離子調制的spiro-MeOTAD空穴傳輸層，即鈍化界面缺陷，增強載流子動力學，并允許寬帶隙鈣鈦礦功函數(shù)可調。當集成到機械堆疊的四端（4T）疊層器件，底電池是n-TOPCon時，該疊層器件實現(xiàn)了28.4%–30.2%的整體效率，同時提高了開路電壓和填充因子。

印度理工學院孟買分校的研究人員制造了一種基于空穴傳輸層（HTL）的透明四端（4T）鈣鈦礦太陽能電池，該空穴傳輸層既能抑制界面復合，同時增強光致發(fā)光量子產額和準費米能級分裂。

該研究的通訊作者Dinesh Kabra告訴pvmagazine：“該器件還表現(xiàn)出動態(tài)可調功函數(shù)，使得能有效耦合能隙變化的鈣鈦礦吸收層?！痹谌N鈣鈦礦組分中，該器件在開路電壓和填充因子方面表現(xiàn)出顯著提升，且不受帶隙影響。該通用HTL采用透明的n-i-p配置鈣鈦礦太陽能電池，提升效率和運行穩(wěn)定性，在與商用n-TOPCon硅電池以四端串聯(lián)方式光學耦合時，總效率可達30.2%。

他繼續(xù)說：“我們的策略消除了對帶隙專用HTL工程的需求，從而減輕了鹵化物分離，這是串聯(lián)光伏中寬帶隙鈣灰礦的一個關鍵限制?！?將傳輸層兼容性與吸收劑組成脫耦，使鈣鈦礦配方可以基于本質穩(wěn)定性和光電質量選擇，而非界面限制。因此，它能夠實現(xiàn)吸收層的優(yōu)化，獨立于電荷選擇層匹配；這一通用HTL重新定義了串聯(lián)器件設計原則，并為實現(xiàn)商業(yè)可行、高度穩(wěn)定和高效的鈣鈦礦-硅光伏提供了可擴展的路徑?！?/span>

在發(fā)表于英國皇家化學會的文章Bandgap-tunable transparent perovskite solar cells for 4T Si/perovskite tandem photovoltaics with PCE > 30% via rational interface management。

科學家們解釋說該電池是用離子調制的spiro-OMeTAD制成的HTL制造的，指出用于鈣鈦礦電池應用的spiro-OMeTAD通常摻雜一種稱為鋰（三氟甲烷磺酰）酰亞胺（LiTFSI）的化合物提升空穴的抽取和導電性。然而，這種摻雜需要耗時24小時的空氣氧化，據(jù)報道這對鈣鈦礦光伏裝置的商業(yè)化生產構成了障礙。

據(jù)報道，離子調制、自由基摻雜的spiro-MeOTAD HTL可通過4-叔丁基-1-甲基吡啶雙（三氟甲烷磺酰）酰亞胺（TBMPTFSI）鹽調制實現(xiàn)最佳功函數(shù)調諧，提升穩(wěn)定性。與分子結構工程用于能級調整不同，該方法提供了更簡單、更可控的能級對齊和減少界面缺陷的方法。

串聯(lián)裝置采用頂部鈣鈦礦電池，基底為玻璃，電子傳遞層（ETL）由二氧化錫制成（SnO2），鈣鈦礦吸收層，spiro-MeOTAD空穴輸運層（HTL）、作為頂層透明電極（TE）的氧化銦鋅（IZO）層，以及銀（Ag）金屬柵極。

研究人員表示，TBMPTFSI濃度在15%至20%之間進行極限提取，并對HTL自旋涂層速度進行精確調整，顯著提升了每種鈣鈦礦組的效率、開路電壓和填充因子。結合離子spiro-HTL顯著延長了載流子壽命，并降低了Shockley–Read–Hall重組常數(shù)，顯示界面缺陷較少。光學表征確認鈣鈦礦帶邊緣變化極小，光致發(fā)光量產率（PLQY）測量進一步證實了離子Spiro器件缺陷密度降低的情況。

研究人員將鈣鈦礦集成為機械堆疊的四端（4T）串聯(lián)配置，配合n-TOPCon硅太陽能電池，串聯(lián)器件整體效率達到28.4%至30.2%。外部量子效率（EQE）、透射率和集成JSC的測量與J–V和光學分析高度匹配，驗證了離子調制HTL帶來的性能提升。最后，在高溫、連續(xù)照明和最大功率點跟蹤下的穩(wěn)定性測試顯示，采用離子SpiroHTL的器件表現(xiàn)出略微增強的堅固性，這與界面缺陷密度的降低相符。

Kabra表示：“值得注意的是，引入帶有優(yōu)化功函數(shù)的離子調制spiro-MeOTAD顯著提升了表面缺陷容忍度，從而影響了載流子動力學，從而實現(xiàn)了2–5%的開路電壓和6–7%的填充率提升?！薄斑@些發(fā)現(xiàn)凸顯了利用離子調制spiro-MeOTAD進行界面缺陷鈍化的關鍵作用，在實現(xiàn)串聯(lián)應用中高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池，為下一代光伏技術提供了有前景的道路?！?/span>