01【導(dǎo)讀】
多結(jié)太陽能電池（Multijunction solar cells），可以克服單結(jié)器件的基本效率限制。其中，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的帶隙可調(diào)性，使其在多結(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中極具吸引力。目前，除了全鈣鈦礦疊層電池，將鈣鈦礦與硅及銅銦鎵硒化合物（CIGS）進行組合的器件也已有報道。同時，窄帶隙的非富勒烯受體快速提高了有機太陽能電池的效率。因此，有機與鈣鈦礦半導(dǎo)體是一個有吸引力的組合，他們也具有相似的加工技術(shù)。但是，鈣鈦礦-有機疊層電池的效率較低，并且受到寬帶隙鈣鈦礦電池的低開路電壓(Voc)和子電池（鋰離子電池失效分析與測試線上交流會）間互連損耗的限制。
02【成果掠影】
近日，德國伍珀塔爾大學(xué)K. O. Brinkmann和T. Riedl（共同通訊作者）等人，采用優(yōu)化的電荷提取層以及通過ALD技術(shù)制備超薄的氧化銦（InOx）作為子電池的連接層，成功實現(xiàn)了鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池24.0%的高轉(zhuǎn)化效率（認(rèn)證效率為23.1%）和2.15 V的高開路電壓（Voc）。相關(guān)研究成果以“Perovskite-organic tandem solar cells with indium oxide interconnect”為題發(fā)表在Nature期刊上。
03【核心創(chuàng)新點】
1. 采用優(yōu)化的電荷提取層，實現(xiàn)了鈣鈦礦子電池的高開路電壓（Voc）與填充因子（FF），以及有機子電池在近紅外高的外部量子效率。
2. 子電池通過超薄（~1.5 nm）氧化銦層連接，實現(xiàn)超低的光學(xué)/電學(xué)損耗。制備的鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池實現(xiàn)了24.0%的轉(zhuǎn)化效率和2.15 V的高開路電壓，其性能優(yōu)于目前最好的鈣鈦礦單結(jié)電池，并與全鈣鈦礦及鈣鈦礦-CIGS器件相當(dāng)。
04【數(shù)據(jù)概覽】
圖1. 有機子電池的組成結(jié)構(gòu)與性能 © 2022 Springer Nature
（a）單結(jié)有機太陽能電池的分層結(jié)構(gòu)及光活性層所用分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
（b）二元（PM6:Y6）與三元（PM6:Y6:PC61BM）太陽能電池體系的外量子效率（EQE）。
（c）光活性層中給受體分子的吸收光譜。
（d）使用LED光源對二元與三元電池體系的轉(zhuǎn)換效率（PCE）進行測試，表征電池的長時間穩(wěn)定性。
（e）疊層電池效率與有機/鈣鈦礦子電池帶隙之間的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/span>
圖2. 優(yōu)化后的寬帶隙鈣鈦礦子電池 © 2022 Springer Nature
（a）不同空穴提取層（如PTAA與MeO-2PACz）準(zhǔn)費米能級的裂分。
（b）p-i-n鈣鈦礦單結(jié)的分層結(jié)構(gòu)。
（c）堆疊層有無電子提取層（EEL）及不同退火溫度的鈣鈦礦太陽能電池開路電壓（Voc）的對比。下方為每種電池的填充因子（FF）對比。
（e）本工作中具有寬帶隙（Eg=1.85 eV）、高Br含量（≥0.4）的鈣鈦礦太陽能電池與文獻報道工作的Voc及FF比較。
（f）白光LED最大功率點條件下測得的鈣鈦礦太陽能電池PCE隨時間的變化。
圖3. 疊層電池的串聯(lián)結(jié)構(gòu) © 2022 Springer Nature
（a）以InOx或Ag為連接層的鈣鈦礦-有機太陽能疊層電池示意圖。
（b）不同InOx連接層厚度的疊層電池的J-V特性曲線。
（c）SnOx/(InOx)/MoOx二極管的J-V特性曲線
（d）有無InOx層的能壘對比。
（e）薄片電阻及載流子密度與InOx層厚度的關(guān)系。
（f）InOx價帶態(tài)密度（DOS）的光電子能譜研究，32次ALD沉積后開始表現(xiàn)出金屬性質(zhì)。
（g）純InOx層、SnOx/InOx/MoOx三明治結(jié)構(gòu)層的光透過率。其中，InOx層經(jīng)過32次ALD沉積，厚度約為1.5 nm。1nm的Ag層取代InOx層作為測試的對照組。
（h）以InOx或Ag為連接層的有機后電池EQE光譜表明，僅1 nm厚的Ag就能引起顯著的電流損耗。
圖4.鈣鈦礦-有機疊層電池的性能 © 2022 Springer Nature
（a）疊層電池中子電池的EQE光譜。
（b） 疊層電池的J-V特性曲線，內(nèi)部為其PCE、FF、Voc、短路電流密度（Jsc）等測試結(jié)果。
（c） 疊層電池的穩(wěn)定PCE結(jié)果，內(nèi)部為電池的截面掃描圖。
（d） 48個疊層太陽能電池經(jīng)認(rèn)證的PCE統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
（e與f） 疊層電池在連續(xù)最大功率點條件（e）及氮氣保存條件（f）下的穩(wěn)定性測試。
05【成果啟示】
對于目前鈣鈦礦-有機疊層電池的效率較低、寬帶隙鈣鈦礦電池的開路電壓（Voc）低以及子電池（鋰離子電池失效分析與測試線上交流會）間互連損耗的問題，該工作在鈣鈦礦-有機太陽能疊層電池研究中具有重要的指導(dǎo)意義。一方面，寬帶隙鈣鈦礦和相鄰電荷提取層界面處損耗是低Voc的主要原因，因此，通過對鈣鈦礦表面進行改性，增強電荷的選擇性提取，將有效提高Voc。另一方面，串聯(lián)互連是構(gòu)筑疊層太陽能電池的關(guān)鍵組成部分，電池所使用的連接層應(yīng)具有高度可控的厚度，并且不會引起顯著的光學(xué)損耗。同時，本工作中使用的ALD沉積技術(shù)，可實現(xiàn)大面積、量化處理，對于其他類型的串聯(lián)疊層電池也具有適用性與指導(dǎo)意義。
本文由famous程供稿。
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