高效率且稳固的柔性钙钛矿——晶硅叠层太阳能电池
钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池兼具高效率与低本钱的优势，具有重大的生长潜力。两头电池结构中，晶体硅（c-Si）底电池与宽带隙（1.65-1.7 eV）钙钛矿顶电池直接串联，能够高效地使用差别波段的太阳光：高能光子被钙钛矿吸收，透射的低能光子则被晶硅底电池捕获。近年来，通过宽带隙钙钛矿组分与添加剂工程、界面修饰战略以及叠层电池的光学和结构优化等多方面起劲，钙钛矿-晶硅叠层电池的光电转换效率抵达34.9%，乐成逾越单结电池的理论效率极限，是目今光伏手艺领域最具潜力的研究偏向之一。而柔性的钙钛矿-晶硅叠层电池在航空航天电源、可衣着电子装备、便携式能源、曲面修建一体化光伏（BIPV）及物联网（IoT）等场景将具有更辽阔的应用远景。然而，柔性钙钛矿-硅叠层电池的生长恒久显着滞后于刚性器件，晶体硅本征刚性古板上限制了器件的弯曲能力，同时界面功效层在重复弯折和温度循环下极易爆发剥离与失效，导致稳固性和寿命远逊于刚性电池。近期，《自然》杂志同时揭晓的两项柔性钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池的研究，报道了该偏向效率及稳固性的重大希望。
在第一项研究中，苏州大学张晓宏、刘江团结隆基绿能科技的何博、徐希翔和李振国等人报道了一种“双缓冲层”战略，针对电子传输层上面的氧化锡（SnOx）界面缓冲层，该研究团队通过在其原子层沉积的制备历程中调控吹扫时间，制备了具有差别致密度的两层SnOx薄膜，较长时间吹扫所制备的致密层能提供优异的电荷提取和电学接触，而松散层可作为应力释放层，有用缓解后续溅射透明电极历程中离子轰击以及现实事情中形变带来的机械应力损伤�；诟媒峁怪票傅娜嵝愿祁芽�-晶硅（约60微米厚度）叠层电池，在1cm?面积上获得33.4%的认证效率；在约260cm?晶圆级组件上实现29.8%的认证效率，首次实现了晶圆级柔性叠层电池，且大面积器件功率/重量比抵达1.77W/g，轻量化优势卓著，凸显其大规模轻质光伏应用潜力�；诟檬忠盏娜嵝缘闫骷谖虏钛罚�-40℃至85℃）老化250个周期后坚持了97%的初始效率；在43000次弯折（弯曲半径42 mm）后也坚持97%以上的初始效率，实现了优异的机械韧性。
图1.使用双缓冲层氧化锡的柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池，性能剖析及各项参数比照。(a)基于双面织构柔性硅异质结底电池的单片钙钛矿-硅叠层太阳能电池示意图；右侧扫描电镜截面图显示顶部钙钛矿电池结构及约60μm厚超薄硅片。(b)原子层沉积制备致密SnOx层与松散SnOx层。(c)致密与松散SnOx层的高区分透射电镜（TEM）图像几何相位剖析（GPA）。(d)稳态光致发光（PL）光谱。(e,f)电流密度-电压（J-V）曲线及最大功率输出点。(g)60μm厚硅片M6尺寸轻质钙钛矿/硅叠层太阳能电池折叠照片。(h)封装叠层太阳能电池的热循环测试（-40℃至85℃）。(i)晶圆级轻质未封装叠层器件功率转换效率（PCE）随弯折循环次数的演变，插图为工业级M6尺寸叠层器件弯折测试前后的荧光光谱成像。
同期揭晓的第二项研究中，苏州大学张晓宏、杨新波团结阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf等人的报道，也针对柔性结构钙钛矿-晶硅钙钛矿电池的功效层及界面举行了优化。首先，接纳反应等离子体沉积制备铈-氢共掺氧化铟（ICO:H），取代常用的锡掺氧化铟（ITO）作为界面复合层，降低了该层的沉积损伤，提升了该层的载流子迁徙率。别的也提升了后续自组装分子空穴传输层的笼罩度与界面电荷复合性能，并有用诱导后续钙钛矿的结晶生长。另外，在掺锌氧化铟（IZO）前端透明电极沉积历程中同步原位低温（75℃）退火，实现兼具高导电性、高透光性与优异的机械韧性。最终研制出的柔性钙钛矿-晶硅叠层电池效率高达33.6%，开路电压抵达2.015 V。该柔性叠层电池经由5000次弯折后（弯曲半径17.6 mm）坚持93%的初始效率。除了高效率与强柔韧性，该电池在一连光照下事情2000小时能坚持初始效率的80%，稳固性与刚性叠层电池相当。
图2.接纳ICO:H做界面复合层及原位退火透明电极的柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池，性能剖析及各项参数比照。(a)柔性叠层电池示意图。(b)器件截面扫描电子显微镜（SEM）图、高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图及能谱（EDX）mapping。(c)密度泛函理论（DFT）盘算：4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基膦酸（Me-4PACz）划分吸附于ICO:H与通例ITO外貌的吸附能及电荷转移情形。(d)开尔文探针力显微镜（KPFM）图像：Me-4PACz锚定于ICO:H与ITO外貌的电势漫衍比照。(e)原位退火与未退火IZO薄膜的透光率及吸收比照。(f)从X射线光电子能谱（XPS）剖析中提取的In-O、C-O与In-O比例剖析。(g)国家光伏质检中心（CPVT）认证的1.0 cm?孔径面积柔性钙钛矿/晶硅叠层电池J-V曲线。(h)封装柔性叠层电池在氮气气氛、一连一个太阳光照下的最大功率点（MPP）跟踪曲线。(i)柔性叠层器件的弯曲测试。
综上，两项研究为各人提供了更多光伏器件功效层质料制备及优化的新思绪，不但把柔性钙钛矿-晶硅叠层电池的效率推上新高度，也提升了器件的机械韧性及事情稳固性。信托未来随着钙钛矿光伏质料及器件优化的一连前进，以及可靠性封装手艺等的开发，这类轻质、高效且耐用的器件有望成为未来绿色能源系统的焦点组成部分。
该文章以题为“Advancing highly efficient and mechanically resilient flexible perovskite-silicon tandem solar cells”揭晓在Journal of Semiconductors上。
（文章泉源：半导体学报）
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