一年第3篇NS正刊 -美国NREL朱凯/蒋琦团队Nature: 钙钛矿太阳能电池的最新研究进展

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）是一种前景广阔的低成本薄膜光伏（PV）技术，在单结和串联应用中都获得了前所未有的功率转换效率（PCE）。要推动 PSC 走向商业化，了解器件在实际室外条件下的可靠性至关重要，但这极具挑战性，因为在室外条件下，多种应力因素（如光、热、湿度）并存，从而产生复杂的降解行为。因此有必要确定加速室内测试方案--该方案可将特定应力因素与现场器件中观察到的降解模式联系起来，从而快速指导 PSC 的开发。

图2. 温度依赖的稳定性研究

图3. 室外老化试验

图4. 基于混合SAM HTL的室外和室内稳定性测试

总之，在本研究利用由多个ISOS稳定性测试协议组成的最先进 p-i-n PSC 平台演示了大量稳定性评估。发现，在光照条件下进行高温（如 85°C）工作稳定性测试与室外工作电池测试具有很好的相关性。这表明，高温和光照的组合是了解封装良好的 PSC 户外运行情况的最关键的压力源组合。研究结果还表明，ITO/SAM HTL/钙钛矿界面对于提高器件在高温下的运行稳定性至关重要，因此在未来的 p-i-n PSC 开发研究中应更加关注这一问题，以实现稳定高效的室外运行。虽然其他电池级 ISOS 稳定性测试协议在提供比较以指导 PSC 开发方面仍然很有价值，特别是从电池到模块的过程中，但应考虑结合多个 ISOS 协议和相关压力源进行更严格的测试，以提高对室外设备运行的了解。

总之， 通过对高溴含量的钙钛矿采用温和的气体淬火方法来控制WBG钙钛矿薄膜的生长 。通过这种方法，WBG钙钛矿薄膜显示出改进的结构和光电性能，具有更长的扩散长度和降低的缺陷密度。最终获得了高效稳定的WBG PSCs和全钙钛矿叠层太阳能电池。这项研究不仅证明了高性能、全钙钛矿串联器件的潜力，而且对于开发其他基于钙钛矿的串联结构也是一个有价值的进步，例如使用混合卤化物WBG钙钛矿的钙钛矿-硅串联。这些器件的转换效率和长期稳定性证实了 通过提高钙钛矿结晶质量和最大限度地减少缺陷来抑制Br–I相分离可以提高WBG钙钛矿光 伏性能 。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf0194

具有倒置结构(通常被称为p-i-n结构)的钙钛矿型太阳能电池(PSCs)由于其易于扩展的制造、可靠的运行以及与各种基于钙钛矿型串联器件的结构的兼容性而被视为未来商业化的重要候选者。然而，p-i-n PSCs的功率转换效率(PCE)落后于n-i-p(即传统结构)结构的对应的PCE。这种巨大的性能差距可能会导致p-i-n结构被舍弃，尽管该结构还有其他优势。 鉴于过去十年来钙钛矿体材料优化的显著进展，界面工程已成为推动PSC性能达到其极限的最重要的策略。

2022年9月1日， 美国可再生能源国家实验室 （NREL） 朱凯团队 和 美国托莱多大学鄢炎发团队 在 Nature 上发表最新关于 3-APy 表面后处理的反式钙钛矿太阳能电池认证效率超25%。 蒋琦 与 童金辉 为共同第一作者身份， 朱凯 研究员、 鄢炎发 教授为共同通讯作者。

该研究报道了一种反应性表面工程处理方法，通过简单的后处理方式，在钙钛矿薄膜顶部使用3-（氨基甲基）吡啶（3-Apy, 3-(Aminomethyl)pyridine）处理，实现了稳定的高性能反式钙钛矿太阳能电池器件。3-APy分子选择性与表面FA+反应，从而降低了钙钛矿表面粗糙度和与表面台阶/平台相关的表面电位波动。钙钛矿表面的反应产物降低了带电碘空位的形成能，形成有效的n型掺杂，从而降低表面功函数。利用这种反应性表面工程，所得到的p-i-n PSCs获得了超过25%的PCE，在空气中、大约55℃、一个标准阳光照射并且运行超过2400小时后，仍然保留了初始PCE的87%。

图1. 表面反应、形貌和电位

图 2. 表面化学和能量学

图3. 光电特性

图4. 器件表征

综上，结果表明，使用3-APy的反应性表面工程是将p-i-n PSC性能显著提高到最先进的效率和运行可靠性的新水平的有效方法。本文的反应性表面处理对其他FA基钙钛矿以及各种3-APy相关分子也有效，使本文的方法成为提高p-i-n器件性能的一般策略。值得注意的是，使用3-APy基碘盐(3-APyI ₂ )进行表面处理并没有改善p-i-n器件的性能，这可能是由于界面能量错位。此外，n-i-p器件中的3-APy表面处理显著降低了器件性能，这证实了n型表面掺杂是p-i-n器件工作的理想选择，但它对n-i-p器件不利。这一结果强调了设计表面处理策略的重要性。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05268-x