光电转换效率为23%的高性能四电极钙钛矿/无机硅叠层太阳能电池

金属有机卤化钙钛矿太阳能电池由于具有高性能、低价溶液制备工艺、以及匹配的禁带宽度,在硅太阳能电池的基础上集成钙钛矿太阳能电池有非常大的潜力来提高光电转换效率从而降低光伏电能的成本。钙钛矿/无机硅叠层太阳能电池的最大挑战是研发与金属有机卤化钙钛矿材料兼容的高电导透明电极。基于银纳米线的透明电极会和钙钛矿材料反应而影响电池的长期稳定性。传统磁控溅射透明半导体氧化物过程中产生的高能颗粒会破化钙钛矿材料而降低电池性能。热蒸发工艺沉积的超薄金属电极(<10 纳米)可以有效的避免沉积透明电极过程中对金属有机卤化钙钛矿的破化,但是目前基于超薄金属电极的半透明钙钛矿太阳能电池性能还有待提高。

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美国内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松教授、陈波博士及其研究团队报道了光电转换效率为16.5%的超薄金属半透明钙钛矿太阳能电池,同时利用近红外增强型硅电池得到钙钛矿/无机硅叠层太阳能电池具有23.0%的光电转换效率。单纯热蒸发沉积超薄金属电极会得到岛状金属颗粒而形成不连续的薄膜,这严重降低了电极的电导率。因为铜的表面能比金大,沉积1纳米的铜可以大幅提高超薄金电极的透光性、电导率和成膜性。反溶剂悬涂法制备的平整金属有机卤化钙钛矿薄膜可以避免表面粗造度对超薄金属电级性能的影响。相比于19.4%的不透明钙钛矿太阳能电池,超薄金属半透明钙钛矿太阳能电池可以保持85%的光电转换效率,同时在太阳光穿透过电池后还保留60%左右的近红外光。考虑到硅底电池在叠层电池中主要利用近红外光,因此提高硅电池在近红外波段的光电转换效率非常重要。ITO顶电极和Ag背电极是造成近红外波段的寄生吸收的主要来源。他们利用具有高载流子迁移率的IZO代替ITO顶电极,同时在背电极引入MgF2反射层来减少光到达Ag电极的比例,从而大幅提高硅电池在近红外波段光电转换效率,>700纳米的太阳光对应的Jsc提高了1.6 mA/cm2。近红外增强型硅电池利用太阳光穿透半透明钙钛矿顶电池后余下的近红外光仍然具有6.5%的光电转换效率。相比于19.4%的钙钛矿太阳能电池和21.2%的硅电池,四电极钙钛矿/无机硅叠层太阳能电池将光电转换效率大幅提升到了23.0%。相关工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601128)上。