2020年3月6日，國際頂級期刊《Science》上線了2篇鈣鈦礦太陽能電池領域的文章。
第一篇
首篇為加拿大多倫多大學電氣與計算機工程系的Edward H. Sargent和阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）物理科學與工程系的 Stefaan De Wolf團隊合作發表的“Efficienttandem solar cells with solution-processed perovskite on textured crystallinesilicon”的研究文章。
研究預覽
將帶隙逐漸減小的太陽能電池堆疊成串，為克服單結的衝擊-奎塞爾極限提供了可能。溶液處理鈣鈦礦的快速發展帶來了鈣鈦礦單結效率>20%。然而，這一過程還沒有實現與行業相關的紋理晶體硅太陽能電池的整體集成。該團隊報告了一種將溶液處理的微米厚鈣鈦礦頂部電池與完全紋理化硅異質結底部電池相結合的方法。為了克服微米厚鈣鈦礦的電荷收集難題，進行了增強在硅金字塔的底部有三倍的損耗寬度。
此外，通過在鈣鈦礦表面固定一種自限型鈍化劑(1-丁硫醇)，增強了擴散長度，進一步抑制了相偏析。這些聯合增強技術使經獨立認證的鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的能量轉換效率達到25.7%；在85°C的400小時熱穩定性測試和40°C的最大功率點跟蹤400小時後，這些設備的性能損失可以忽略不計。
文章解讀
經過全球範圍內的努力，鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的能量轉換效率(PCEs)在過去的十年間從最初的3.8%提高到認證的25.2%。這一進展是基於材料特性的組合，如晶體形成所需的低能量、銳利的光學吸收邊緣和可調帶隙等，非常適合應用於光伏材料領域。通過使用基於溶液的塗層方法沉積半導體，進一步促進了PSCs的快速發展。
這些特性也使PSCs成為極具吸引力的頂部電池，用於使用較低帶隙底部電池的串聯應用，如晶體硅(c-Si)和銅銦鎵硒(CIGS)；通過降低熱化損失，在多結器件中疊加減少帶隙的PV吸收器可以克服單結太陽能電池的衝擊-奎塞爾效率限制33.7%。將鈣鈦礦與c-Si底部電池的結合會更加具有特別的吸引力，因為基於單結c-Si的技術已經主導了光伏市場。然而，作為c-Si太陽能電池的效率接近它們的實際限制，使用c-Si底部電池的多結技術對進一步提高效率很有意義。
處理後的微觀結構
在上圖中的掃描電子顯微鏡的俯視圖圖像中可以看到，紋理化的c-Si具有2毫米大小(111)的面錐體，它們是由鹼性溼化學腐蝕製成的，當在一個有紋理的c-Si底部細胞上形成串時，控制鈣鈦礦的形態和薄膜厚度是很重要的。為了完全覆蓋錐體，該團隊使用了濃縮的(1.65到1.75)的前驅體，得到了微米厚的鈣鈦礦，顆粒尺寸大(2到4微米)。這一過程能夠實現統一的鈣鈦礦覆蓋金字塔，並消除了額外的扁平化過程的需要。
相偏析影響
採用超快瞬態吸收光譜法研究了1.68- ev帶隙鈣鈦礦薄膜經不同時間處理後的相分佈，處理後的薄膜均表現出以約725nm為中心的單基態漂白峰。結果表明，鈣鈦礦薄膜的組分存在於一個單一的相內，並且通過硫醇自限鈍化(SLP)處理可以穩定鈣鈦礦薄膜的整體性能。
不同SLP處理時間的樣品表面敏感性掠入射廣角x射線散射(GIWAXS)測量結果無差異，經過不同的處理時間，鈣鈦礦峰的強度和位置保持不變，表明晶體結構和取向沒有變化。
增強串聯電池的電位提取
通過對電位差的一階導數，確定了相對於冶金界面的電場分佈，觀察到在HTL -鈣鈦礦和鈣鈦礦-電子傳輸層(ETL)界面上有兩個明顯的連接峰，而在鈣鈦礦層內電場接近於零；鈣鈦礦-電子傳輸層對於平板電池和紋理電池具有相似的強度和耗盡寬度，這與這兩種設備的鈣鈦礦界面一致。有趣的是，當使用紋理話的襯底時，HTL-鈣鈦礦界面的電場增強。
串聯電池的表徵和穩定性
經過獨立認證的鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的能量轉換效率達到25.7%；在85°C的400小時熱穩定性測試和40°C的最大功率點跟蹤400小時後，這些設備的性能損失可以忽略不計。
第二篇
此篇為中國科技大學、美國科羅拉多大學、美國國家可再生能源實驗室的Jixian Xu和美國科羅拉多大學、美國國家可再生能源實驗室的Michael D.McGehee團隊聯合發表的題為“Triple-halide wide–band gapperovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems”的研究文章。
研究預覽
寬頻帶帶隙金屬鹵化物鈣鈦礦是一種很有前途的半導體，它可以與硅串聯在太陽能電池上，從而實現以低成本實現功率轉換效率(PCE)超過30%的目標。然而，寬頻帶鈣鈦礦太陽能電池從根本上受到光致相位偏析和低開路電壓的限制。該團隊報道了使用三鹵化物合金(氯、溴、碘)調節帶隙並在光照下。通過用溴代碘縮小晶格參數、提高了氯的溶解度，使光載流子壽命和電荷載流子遷移率提高了2倍。
該團隊觀察到，即使在100倍光照強度下，薄膜中的光誘導相分離也會被抑制，而在60℃條件下，經過1000小時的最大功率點(MPP)操作後，半透明頂部電池的降解率也不到4%。通過將這些頂部電池與硅底部電池集成，我們在面積為1平方釐米的兩端單片晶體管中實現了27%的PCE。
文章解讀
組成調整可以產生最先進的ABX光電特性，適用於高效太陽能電池、發光二極管(led)和3個金屬鹵化物鈣鈦礦探測器。寬頻帶隙合金(>1.65 eV)尤其受到led和多結太陽能電池的廣泛關注，後者可以通過疊加互補的寬帶隙和窄帶隙吸收器來克服單結電池的衝擊-奎塞爾極限，從而降低熱損失。隨著市場主導的硅太陽能電池接近29.1%的理論極限和實驗室記錄26.7%的多結太陽能電池或串聯太陽能電池的發展，可以進一步提高功率轉換效率(PCE)、降低光伏(PV)電力的均衡成本。
表徵
最近的研究表明，即使加入少量Cl(<1%)，也能改善光電子性能。例如，氯離子可以降低鹵素空位缺陷密度，提高鈣鈦礦在環境空氣中的穩定性。考慮到在三滷代鈣鈦礦中，氯基試劑很好地融入晶格，該團隊使用時間分辨微波傳導率(TRMC)來研究它們的電子性質和電荷-載流子動力學。
增強電荷-載波遷移率和壽命
儘管三滷代鈣鈦礦表面晶粒尺寸沒有增加，但與我們最好的1.67 ev控制相比，其電荷載流子遷移率和壽命都提高了近2倍，相當於載流子擴散長度的兩倍。為了解開Cl摻入對塊體和表面的影響，我們在鈣鈦礦表面加了一層鈍化層以減少表面複合。該團隊選擇LiF是因為它是絕緣的，並抑制鈣鈦礦中的非輻射表面複合，從而增加載體的有效壽命。在TRMC測量中，LiF覆蓋的鈣鈦礦樣品與裸鈣鈦礦樣品具有相同的遷移率和壽命(上圖)，這證實了三滷代鈣鈦礦中光載流子傳輸的增強主要是由體積性質而不是表面性質決定的。
相偏析
為了比較三鹵化物薄膜和最好的Cs25Br20對照對光相位偏析的敏感性，該團隊在N2環境下進行了488nm連續激光照明下的時間和強度依賴性光致發光(PL)測量，在PL光譜中形成的紅移或低能峰表明光誘導的低能帶隙I-rich阱態的形成。為了避免峰值位置的噪聲和誤差，使用譜質心來定量地表示跨越整個PL譜範圍的演化，在10日等效照度下的20分鐘內，Cs25Br20對照組表現出低能PL峰和峰寬的增加。相比之下，1.67-eV三鹵化物膜沒有形成低能峰，保持了其PL光譜特徵，突出了其優越的光穩定性。
1平方釐米雙端鈣鈦礦/硅晶體管的PV特性
全串聯結構如上圖A所示；圖B為Si上鈣鈦礦頂胞的橫截面SEM圖像。鈣鈦礦頂部電池的EQE光譜與在頂部照明的半透明設備中測量的光譜非常吻合。根據EQE譜計算得到的鈣鈦礦頂部電池和硅底部電池的激活區Jsc值分別為19.3mAcm-2和19.9mAcm-2。這些計算值表明，雙端串聯的Jsc受到鈣鈦礦頂部電池的輕微限制。
DOI：
10.1126/science.aaz3691
10.1126/ science.aaz5074
閱讀更多 e測試 的文章
