將硅和金屬鹵化物鈣鈦礦配對的串聯太陽能電池，是一個很有前途的選擇，其可超越單電池的效率限制。近日，來自德國柏林科技大學的Steve Albrecht等研究者，報道了一個單片鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池，其認證的功率轉換效率高達29.15%。本研究發現減少空穴提取速度的限制，是探索提高鈣鈦礦太陽能電池效率潛力的有效途徑。相關論文以題為“Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction”于2020年12月11日發表在Science上。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1300
串聯太陽能電池，由硅電池覆以鈣鈦礦太陽能電池(PSC)組成，可以提高商業批量生產的太陽能電池的效率，超過單結電池的限制，而不增加實質性的成本。目前為止，單結太陽能電池經認證的功率轉換效率(PCE)達到25.5%，鈣鈦礦/CIGSe串聯電池達到24.2%，全鈣鈦礦串聯電池達到24.8%，公開發表的最高鈣鈦礦/硅串聯效率為26.2%。鈣鈦礦/硅串聯電池在穩定性和與組織化硅襯底的相容性方面也取得了技術進步。
然而，這些以鈣鈦礦為基礎的串聯太陽能電池仍然有改進的空間，因為所有這些串聯技術的實際限制都遠高于30%。PSC效率的提高部分，是由對缺陷和重組機制的物理和化學理解的進展所驅動的。一些報道提出了表面和晶界的近乎完美鈍化，光致發光量子產量(PLQYs)接近理論極限。因此，據報道，PSCs的開路電壓(VOC)值僅低于其輻射極限幾十meV。這些值超過了晶體硅吸收器所達到的值，并可與基于外延生長砷化鎵的太陽能電池相媲美。然而，鈣鈦礦組成與更寬的帶隙需要高效率串聯太陽能電池仍然顯示大量的VOC損失。主要原因包括吸收材料本身相對較低的PLQYs，接觸的不當選擇，以及相不穩定。即使是最先進的鈣鈦礦/硅串聯電池，其VOC值仍遠低于1.9 V。
在此，研究者提出了一種同時克服以上問題的策略，通過帶隙為1.68 eV的三倍化鈣鈦礦組成來證明，這使得VOC為1.92 V的光穩定串聯器件成為可能。帶隙為1.68 eV的鈣鈦礦吸收劑，通過快速空穴提取和空穴選擇界面的最小化非輻射復合，在光照下保持相穩定。這些特征是由于，自組裝的甲基取代咔唑單層作為鈣鈦礦電池的空穴選擇層。加速的空穴提取與1.26的低理想系數和84%的單結填充系數有關，同時使串聯開路電壓高達1.92 V。該設備在空氣中，沒有封裝時，串聯保持了95%的初始效率后，可穩定運行300小時。（文：水生）
圖1 不同基質上鈣鈦礦膜的光致發光性能及穩定性評價。
圖2 電荷轉移在瞬態光致發光(TrPL)中的作用。
圖3 不同選穴層p-i-n太陽能電池的性能及填充因子損耗分析。
圖4 使用不同HTLs的單片鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的特性。
圖5 用Me-4PACz和LiF中間層串聯太陽能電池的發光亞電池分析。
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