Advanced Functional Materials:宽带隙钙钛矿的界面修饰工艺用于制备CZTSSe/钙钛矿叠层电池

随着钙钛矿组分和制备工艺的发展,单节钙钛矿太阳电池的光电转换效率已经超过了25%,展现出巨大的商业化潜力。为了进一步突破单节太阳能电池的理论效率极限,基于宽带隙钙钛矿电池并叠加窄带隙的吸收层(比如铅锡混合钙钛矿、晶体硅电池以及过渡金属化合物电池),从而更加充分地利用太阳光谱,被研究者们视为一种非常有效的策略。所以,实现高效稳定的叠层太阳能电池的核心环节之一就是制备高效率和高稳定性的宽带隙钙钛矿太阳能电池(Eg≈1.6-1.9 eV)。但是,宽带隙钙钛矿电池普遍面临着开路电压(VOC)损失较大的问题,这主要是由于钙钛矿内部和表面较高的缺陷态密度以及界面间电荷的复合损失,从而限制了叠层电池效率的进一步发展。

近日,香港城市大学Alex K.-Y. Jen 教授与南方科技大学徐保民教授、南开大学张毅教授合作报道了一种对于宽带隙钙钛矿电池简单有效的界面修饰策略。该团队通过沉积二维钙钛矿层ODAPbI4在空穴传输层PTAA一侧诱导形成超薄的准二维钙钛矿,这一缓冲层的形成不仅能够促进空穴在界面处的抽取和收集,还能改善上层宽带隙钙钛矿的晶体生长,从而有效地抑制了由于高密度的离子缺陷和界面空穴-电子复合导致的非辐射复合损失。相应地,优化后的宽带隙钙钛矿器件电池(Eg≈1.66 eV)最终实现了21.05%的能量转换效率和1.23 V的开压电路,其中0.43 V的开路电压损失也是目前报道的宽带隙钙钛矿器件的最低开压损失之一。基于这一策略,该团队将宽带隙钙钛矿器件与窄带隙的Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)叠加,从而制备了效率为22.27%的四端(4T)叠层电池,为全溶液法、低成本和高效率的叠层电池的制备开拓了新的思路。

研究表明,作者沉积的二维钙钛矿ODAPbI4能够和上面的宽带隙钙钛矿前驱体发生配合,从而在靠近空穴传输层PTAA的一侧形成超薄的准二维钙钛矿。同时,长烷基链的ODA2+离子由于界面间的反应能够渗透到上层钙钛矿中,从而提高宽带隙钙钛矿的结晶质量,减少薄膜内部及表面的缺陷态密度。

图1. 准二维钙钛矿在界面处的构建原理:准二维钙钛矿仅在靠近空穴传输层一侧形成。

如图2所示,作者通过瞬态吸收图谱和瞬态荧光光谱证实了界面处形成的准二维钙钛矿能够更加高效地抽取和传输空穴,从而减少由于空穴和电子在界面处发生复合而导致的非辐射复合损失。

图2. 有无ODAPbI4处理的钙钛矿薄膜的瞬态吸收图谱(TAS)和瞬态荧光光谱分析(TRPL)。

作者采用传统的反式器件结构,将宽带隙钙钛矿电池的效率提高到了21.05%,并且该器件具备了几乎可忽略的迟滞效应,而效率的提升主要来自于开路电压的提升(从1.17 V到1.23 V)。同时,优化后的器件展现出更加优异的光照稳定性和器件重复性。

图3. 宽带隙钙钛矿电池的相关光伏性能测试,包括电流密度-电压(J-V测试)、外量子效率(EQE)测试以及最大功率点输出效率(MPP)测试。

作者通过理论计算对宽带隙钙钛矿器件的开路电压VOC损失进行分析,发现器件的VOC损失主要来自于非辐射复合损失,而ODAPbI4二维钙钛矿的引入能够显著减缓这一损失,这与钙钛矿/空穴传输层界面处形成的准二维钙钛矿缓冲层密切相关。

图4. 宽带隙钙钛矿电池的VOC损失机理分析

最后作者将优化后的宽带隙钙钛矿电池做成半透明器件,与窄带隙的CZTSSe底电池组成叠层电池,实现了22.27%的光电转换效率,这一效率均高于单节的钙钛矿和CZTSSe电池。EQE图谱展示了两部分电池对于太阳能光谱的利用占比,最终积分得到的短路电流也与J-V测试得到的短路电流相匹配。

图5. 钙钛矿/CZTSSe叠层电池的结构示意图和光伏性能测试

文章的第一作者是南方科技大学-香港城市大学联合培养博士生王登,共同第一作者是南开大学博士生郭洪玲,香港城市大学Alex K.-Y. Jen 教授、南方科技大学徐保民教授和南开大学张毅教授是文章的通讯作者。

论文信息:

Interfacial Engineering of Wide-Bandgap Perovskites for Efficient Perovskite/CZTSSe Tandem Solar Cells

Deng Wang, Hongling Guo, Xin Wu, Xiang Deng, Fengzhu Li, Zhen Li, Francis Lin,

Zonglong Zhu, Yi Zhang*, Baomin Xu*, Alex K.-Y. Jen*

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202107359

链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107359