Nature：改进晶粒表面钝化的全钙钛矿叠层太阳能电池

摘要

摘要图
本文提出了一种利用4-三氟甲基苯胺阳离子（CF3-PA）钝化技术的大面积全钙钛矿叠层太阳能电池，该方法显著提升了晶粒表面钝化效果和锡铅钙钛矿的载流子扩散长度（超过5 μm）。通过分子动力学模拟，证明CF3-PA在晶体化过程中比传统钝化剂具有更强的表面吸附能力，有效降低了缺陷态密度。该策略使叠层电池的认证效率达到26.4%，高于单结钙钛矿太阳能电池的效率。此外，封装设备在环境光条件下运行600小时后仍保持初始效率的90%以上。本研究为高效稳定的全钙钛矿叠层太阳能电池的开发提供了新的思路。

关键词

  • 钙钛矿太阳能电池 (Perovskite Solar Cells)
  • 叠层太阳能电池 (Tandem Solar Cells)
  • 钝化技术 (Passivation Technology)
  • 锡铅混合钙钛矿 (Pb–Sn Perovskites)
  • 载流子扩散长度 (Carrier Diffusion Length)
  • 表面缺陷钝化 (Surface Defect Passivation)
  • 太阳能光电效率 (Photovoltaic Efficiency)

研究背景

钙钛矿太阳能电池以其可调谐带隙和低成本制备工艺，成为新一代光伏技术的前沿方向。然而，当前全钙钛矿叠层太阳能电池的认证效率仍低于单结钙钛矿太阳能电池，主要瓶颈在于锡铅钙钛矿亚电池的光生载流子扩散长度较短，限制了光电流密度。此前的研究尝试使用二维钙钛矿、路易斯酸碱或双性离子对晶粒表面进行钝化，但由于钝化剂在晶体化过程中的不完全吸附，导致其吸附效果有限。本研究通过引入分子设计的动态钝化剂CF3-PA，显著提升了晶粒表面的钝化效果和载流子传输能力，从而提高了叠层电池的整体效率和稳定性。

创新点

  • 利用分子动力学模拟指导设计CF3-PA钝化剂，揭示其动态吸附特性。
  • 提升了Pb-Sn钙钛矿薄膜的晶粒表面钝化效果，将载流子扩散长度提升至超过5 μm。
  • 实现了认证效率达26.4%的全钙钛矿叠层太阳能电池，效率高于单结钙钛矿太阳能电池。
  • 提供了大面积封装电池的长期稳定性验证（600小时后效率保持率90%）。

研究内容

本研究基于动态分子设计，提出了通过添加CF3-PA钝化剂改善锡铅混合钙钛矿薄膜性能的方法。通过分子动力学模拟发现，CF3-PA在400 K下具有较强的表面吸附能力，可有效钝化晶粒表面缺陷（如碘空位和锡空位）。实验验证显示，与传统钝化剂相比，CF3-PA钝化的钙钛矿薄膜表现出更高的载流子扩散长度和更低的非辐射复合速率。此外，通过在叠层太阳能电池中优化宽带隙（WBG）和窄带隙（NBG）钙钛矿亚电池的厚度，研究实现了电流匹配，从而提升了电池效率。最终制备的大面积叠层电池认证效率达26.4%，并在封装后展示了优异的长期稳定性。通过SEM、XRD、XPS和PL等表征手段，全面分析了钝化剂对钙钛矿薄膜形貌、结构及光电性能的影响。

图1
图1 | 钝化剂与Pb–Sn钙钛矿表面的相互作用。

(a) 三种钝化剂（PEA、PA和CF3-PA）的分子结构。PA和CF3-PA具有与PEA相似的分子结构，但苯环和铵基之间没有烷基链。右侧通过Gaussian计算的静电势（\( \phi \)）展示。颜色条从红色到蓝色表示电正性的增强。
(b) 铵阳离子与接受体型缺陷（即FA空位(\( V_\text{FA} \))、MA空位(\( V_\text{MA} \))、Sn空位(\( V_\text{Sn} \))、Pb空位(\( V_\text{Pb} \))、替代Sn位点的I (\( I_\text{Sn} \)) 和替代Pb位点的I (\( I_\text{Pb} \))）之间相互作用的示意图。A-I和B-I终止的(001)钙钛矿表面均被考虑。
(c) 在400K温度下，CF3-PA、PA和PEA钝化剂吸附在钙钛矿表面的ab initio分子动力学快照及俯视图。绿色表示F原子，红色表示PA和PEA阳离子中的N原子。脱附分子在俯视图中用蓝色虚线圆圈标注。
(d) 在300K和400K温度下，CF3-PA、PA和PEA吸附分子的数量统计。16个分子表示模拟单元中表面的完全覆盖。
(e) 钝化剂与各种接受体型缺陷之间的结合能(\( E_\text{b} \))。

图2
图2 | Pb–Sn钙钛矿太阳能电池的光伏性能。

(a) 不同钝化剂的器件光伏参数（每种类型的器件各15个）。
(b, c) 吸收层厚度为750、900和1,200nm的CF3-PA器件的代表性\( J–V \)曲线（b）和外量子效率（EQE）曲线（c）。
(d, e) 最佳CF3-PA器件（吸收层厚度为1.2μm）的\( J–V \)曲线（d）以及EQE和积分电流密度（e）。图d插图展示了237个CF3-PA器件的PCE分布，平均值为20.8% ± 0.5%。

图3
图3 | 添加钝化剂的混合Pb–Sn钙钛矿薄膜的表征。

(a, b) 控制样品（a）和CF3-PA（b）钙钛矿薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。
(c) 控制样品、PEA、PA和CF3-PA钙钛矿薄膜的X射线衍射（XRD）图谱，未观察到二维钙钛矿或非钙钛矿相。
(d, e) 稳态（d）和时间分辨（e）光致发光（PL）光谱，显示添加钝化剂后PL强度显著增强，载流子寿命显著延长。
(f) 控制样品与CF3-PA钙钛矿薄膜的载流子迁移率和扩散长度比较，CF3-PA显著提高了扩散长度（5.4μm对比1.8μm）。

图4
图4 | 使用CF3-PA添加剂的全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏性能和稳定性。

(a) 全钙钛矿叠层太阳能电池的截面SEM图像，显示前子电池（WBG）和后子电池（NBG）吸收层的厚度分别为约380nm和1,200nm。
(b, c) 不同NBG吸收层厚度（750、900和1,200nm）下叠层电池的\( J–V \)曲线（b）和EQE曲线（c）。
(d, e) 最佳叠层器件的\( J–V \)曲线（d）以及总反射率(1-\( R \))和EQE曲线（e），显示正向和反向扫描下的PCE分别为26.4%和26.7%。
(f) 大面积叠层器件的\( J–V \)曲线（面积=1.05cm²）。
(g) 在模拟1太阳照明条件下，CF3-PA和控制叠层器件的最大功率点（MPP）跟踪稳定性测试，显示CF3-PA器件在600小时内保持了90%的初始PCE。

结论与展望

研究证明了动态钝化剂CF3-PA对提升钙钛矿薄膜钝化效果的显著作用，实现了认证效率达26.4%的全钙钛矿叠层太阳能电池。长期稳定性测试表明，封装后的叠层电池在600小时后效率保持率超过90%。未来研究可通过进一步优化钝化剂分子结构和制备工艺，进一步提高电池效率和稳定性，为钙钛矿光伏技术的商业化应用铺平道路。

论文直达

原文标题：All-perovskite tandem solar cells with improved grain surface passivation

Nature 2022, 603, 73–78.

点击以下链接阅读原文：

原论文链接 >>>