單片鈣鈦礦三結(jié)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率突破24.4%
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由于單片雙結(jié)太陽(yáng)能電池取得了巨大進(jìn)步，使用三結(jié)甚至更多結(jié)的超高效多結(jié)太陽(yáng)能電池被廣泛研究。然而，多結(jié)太陽(yáng)能電池中使用的鈣鈦礦薄膜依賴(lài)于不穩(wěn)定的錫/鉛（Sn/Pb）基混合物，暴露在氧氣和水中將會(huì)迅速降解，因此在鈣鈦礦/電子傳輸層（ETL）界面處將形成高密度缺陷。
德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院Bahram Abdollahi
Nejand和Ulrich W. Paetzold等人報(bào)道了一種三結(jié)鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅太陽(yáng)能電池，其功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的24.4%。研究人員使用Cs0.2FA0.8Pb（I0.5Br0.5）3的寬帶隙鈣鈦礦頂部電池（~1.84 eV）、FAPbI3鈣鈦礦中間電池（~1.52 eV）和硅基底部電池（~1.1 eV）來(lái)制備高效三結(jié)鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅太陽(yáng)能電池。為了優(yōu)化器件的整體短路電流（JSC），確定最佳的帶隙組合、頂部和中間電池的鈣鈦礦薄膜厚度，研究人員首先進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)所研究三結(jié)電池的結(jié)構(gòu)。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，頂部和中間鈣鈦礦電池的理想帶隙分別約為1.82 eV和1.48 eV，最大PCE可達(dá)到24.8%?；谶@些預(yù)測(cè)結(jié)果，研究人員制備了鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅太陽(yáng)能電池，最終器件的PCE為24.4%（反向掃描，VOC：2.84 V，JSC：11.6 mA cm-2,
FF：0.74）。在這種器件結(jié)構(gòu)中，中間層FAPbI3薄膜的質(zhì)量對(duì)性能起到?jīng)Q定性作用。為了提高中間層的質(zhì)量，研究人員采用了輔助生長(zhǎng)（VAG）工藝來(lái)替代傳統(tǒng)的反溶劑（AS）淬滅工藝。通過(guò)VAG工藝制備的FAPbI3薄膜在順序沉積前后保持純?chǔ)料?，具有?yōu)異的相穩(wěn)定性。進(jìn)一步的研究表明，與VAG工藝相比，器件表現(xiàn)出稍微增加的電荷載流子壽命，這是由于VAG-FAPbI3薄膜中晶粒尺寸的改善、較少的晶界和針孔，以及較少的非輻射復(fù)合所致。研究人員還利用電致發(fā)光成像評(píng)估了缺陷分布和膜的均勻性。結(jié)果顯示，用VAG方法處理的器件具有良好的均勻性和較少的缺陷。最后，研究人員在氮?dú)猓∟2）氣氛下評(píng)估了未經(jīng)封裝的三結(jié)鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。結(jié)果表明，VAG工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量和穩(wěn)定的中間層鈣鈦礦薄膜，為增強(qiáng)三結(jié)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性提供了一種有前途的途徑。
本研究報(bào)道了一種三結(jié)鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的功率轉(zhuǎn)換效率（24.4%）。研究人員在電池的中間層采用了一種穩(wěn)定的純?chǔ)?相甲脒碘化鉛鈣鈦礦薄膜，這種薄膜不僅能夠提供高達(dá)2.84 V的開(kāi)路電壓，而且在85℃的黑暗環(huán)境中存儲(chǔ)了長(zhǎng)達(dá)1081小時(shí)，非封裝的三結(jié)電池仍能保持96.6%的初始效率。研究成果發(fā)表在《Energy & Environmental Science》。
文獻(xiàn)來(lái)源：Hu H, An S X, Li Y, et al. Triple-junction
perovskite-perovskite-silicon solar cells with power conversion efficiency of
24.4%.
Energy & Environmental Science,
2024, DOI: 10.1039/d3ee03687a
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