雜化鹵化物鈣鈦礦的北京快速研究進展為開發下一代光伏器件開辟了幾種途徑。憑借其理想的理工光電特性，單結太陽能電池的大學功率轉換效率(PCE)已達到26.1%。將鈣鈦礦吸收劑集成到晶體硅電池上，鈣鈦構建鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池(PST)，礦最可以進一步利用硅電池的材料工業優勢，并為鈣鈦礦太陽能電池的北京市場滲透提供捷徑。最近，理工單片PST的大學認證PCE達到33.9%，但其長期運行穩定性仍是鈣鈦一個問題。PST在頂電池中使用WBG鈣鈦礦，礦最以實現太陽光譜的材料高效利用，降低熱弛豫損失。北京常用的理工WBG鈣鈦礦帶隙在1.65至1.7 eV之間，組分通常含有混合陽離子與鹵素離子。大學然而，這些組合物結晶度差，織構弱，晶粒取向多，各種晶面在面外方向暴露。較差的晶體質量導致更多的離子遷移通道，并且即使在鈍化后，不同側面的不同末端也會加速晶體的降解。因此，在連續照明下，WBG吸收膜中會發生離子遷移和相分離，影響了疊層電池的長期穩定性，從而縮短器件壽命。改善WBG鈣鈦礦薄膜需要對結晶過程進行更精確的控制，通過提高WBG鈣鈦礦薄膜的晶體質量，可以有效抑制離子遷移和相分離，從而延長器件使用壽命。
薄膜生長通常從核開始，在決定最終薄膜性能方面起著重要作用。通過引入甲基氯化銨或揮發性烷基銨鹽，3C鈣鈦礦的快速成核指導了隨后的晶體生長。然而，較小的甲胺氯化物添加劑（如甲脒碘化鉛）對混合鹵化物成分無效。雖然大多數的努力都集中在結晶的精細控制上，但對原子核的控制卻關注有限，特別是相和組成。
近日，北京理工大學陳棋教授，陳怡華助理教授和北京耀能科技有限公司吳頤良博士等人在Science期刊上發表了題為“Nuclei engineering for even halide distribution in stable perovskite/silicon tandem solar cells”的研究論文。該項研究使用碘化銨來穩定所需的晶核，并使用真空淬火來控制表面張力。通過在形成任何富含溴的聚集體和3H相之前對2C相成核，來控制對成分不敏感的 WBG膜生長。由此產生的WBG吸收劑顯示出更高的結晶度和堅固的質地，抑制了非輻射復合，并增強了對各種老化應力的抵抗力。其中，鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池在25 cm2的有效區域內實現29.4%的功率轉換效率（第三方評估為28.8%），在1 cm2的有效區域內實現32.5%的功率轉換效率。此外，這些太陽能電池在25°和50°C下分別運行1301小時和800小時后，在最大功率點（AM 1.5G照明，全光譜，1-太陽）封裝時保持了98.3%和90%的原始效率。
圖1不同WBG吸收材料的晶體學和光電子特性? 2024 AAAS
圖2 WBG吸收體晶核工程的實驗研究? 2024 AAAS
圖3 1cm2和25cm2PST電池的光伏性能? 2024 AAAS
圖4 WBG吸光層在老化應力下的穩定性? 2024 AAAS
該項研究演示了晶核工程，通過將普遍存在鹵化物分布均勻的3C相核成核到富Br和2H相核，制備出具有高晶體質量的鹵化物和陽離子混合WBG鈣鈦礦薄膜。該策略適用于五種廣泛使用的WBG吸收劑。優異的結晶度和強織構降低了非輻射復合損失，抑制了離子遷移和相分離。所得的WBG鈣鈦礦薄膜表現出優異的光電學性能。基于該吸光層，該項研究在晶硅異質結（SHJ）底電池上制備了兩端PST，1平方厘米器件效率達32.5%（第三方評估為32.0%），25平方厘米器件效率為29.4%（第三方評估為28.9%）。該薄膜也具有良好的光熱穩定性。光老化200小時后，薄膜的PL波長漂移得到顯著抑制。85°C熱老化831小時后，薄膜的XRD信號與初始狀態保持一致，晶體質量保持良好。器件封裝后在1個太陽的輻照條件下進行最大功率點跟蹤測試，在常溫下1301小時后保持了初始效率的98.3%，在50°C下800小時后保持了初始效率的90%。此外，器件也展現出在臨近空間等極端環境應用的可能性。封裝后的器件在全譜光照、245 K、5 kPa低氣壓下運行56小時后，依然保留了初始效率的90.4%。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9104
本文由小藝撰稿
