宁波材料所在提高钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池效率方面取得最新进展

　　最近，两端口反式钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池(PVSK/ Si TSCs)取得了显著进展，经认证的功率转换效率达到34.6%。然而，通过将已达到的性能与理论极限值44.3%进行比较，可以发现，尽管PVSK/Si TSC的JSC(短路电流密度)/JSQ达到了96%(表明近乎完美的光管理)，但其VOC(开路电压)×FF(填充因子)只能达到S-Q极限的80%左右或更低，明显低于钙钛矿和硅单结太阳能电池分别达到的87%和85%。这表明PVSK/ Si TSCs在载流子管理方面仍有很大的改进空间。
 

　　近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所新能源所硅基太阳能及宽禁带半导体团队在叶继春研究员的带领下，在前期晶体硅和钙钛矿太阳电池研究的基础上(Nat. Energy, 2023, 8; Joule 2022, 6, 2644; Nat. Commun. 2024, 15, 8453; Nat. Commun. 2023, 14, 2166;Adv. Mater. 2023, 35, e2211962; Adv. Energy Mater. 2024, 2403021; Adv. Funct. Mater. 2024, 34; Sci. Bull. 2024, 69, 1887; ACS Energy Lett. 2024, 9, 4018; Nano Energy 2022, 100, 107529; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 52223; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006; J. Mater. Chem. A, 2023,11, 6556; Adv. Funct. Mater. 2023, 2304708；Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006)，在高效钙钛矿/硅叠层电池领域取得了新的进展。该团队提出一种自上而下的双界面载流子管理策略来制备钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池，效率达到31.5%。在该工作中，研究人员合成了一种多功能的氯化哌嗪化合物并用于表面后处理。研究发现，哌嗪氯化物可诱导从顶表面到底表面的不对称双向离子分布，大的哌嗪阳离子集中在钙钛矿上表面，而小的氯离子则向下迁移，聚集在埋底界面，从而实现有效的双界面缺陷钝化和能带调控。基于此，未封装的1.68 eV钙钛矿单结太阳能电池获得了22.3%的高效率，同时展现出较高的VOC×FF(达到S-Q极限的84.4%)和更高的稳定性。此外，基于硅异质结底电池的1.04 cm2两端口PVSK/Si TSCs的效率达到31.5%。这项工作为制造高效、稳定的钙钛矿平台提供了一种便捷的双界面工程策略。
 

　　相关成果以“Top-Down Dual-Interface Carrier Management for Highly Efficient and Stable Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells”为题发表于Nano-Micro Letters(DOI: 10.1007/s40820-024-01631-x)上。宁波材料所2020级直博生李鑫为第一作者，应智琴副研究员、杨熹副研究员和叶继春研究员为共同通讯作者。该研究的合作单位为嘉兴阿特斯技术研究院，并得到了国家自然科学基金(62204245, U23A200098)、浙江省自然科学基金白马湖实验室联合基金(LBMHD24E020002)、浙江省重点研发计划(2022C01215、2024C01092)、中国博士后科学基金(2023M743620、2024T170960)、宁波市重点研发计划(2023Z151)、浙江省自然科学基金(LY24F040003)和中国国家重点研发计划(2024YFB3817304)等项目支持。
 

　　图1 基于自上而下双界面载流子管理策略的钙钛矿单结和钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的J-V曲线。