近年來，鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池技術飛速發展，其效率已從13.7%發展到如今的33.2%，這得益於其更寬的太陽光譜吸收範圍和更高的開路電壓輸出值。因此，鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池被認為是最有希望從根本上提高光電轉換效率並大幅降低太陽能發電成本的新型光伏技術。然而，鈣鈦礦/矽疊層電池的不穩定性，特別是鈣鈦礦頂電池的不穩定性，仍然是限制其實際應用的主要障礙之一，通常與鈣鈦礦薄膜內部的殘餘應力密切相關。鈣鈦礦薄膜內部殘餘應力的存在會顯著降低鈣鈦礦相變、缺陷形成和離子遷移的能壘，並最終加速鈣鈦礦的降解。因此，如何有效釋放鈣鈦礦薄膜內部的殘餘應力並獲得高效穩定的疊層器件成為關鍵。
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬新能源所矽基太陽能及寬禁帶半導體團隊在葉繼春研究員的帶領下，在前期晶體矽和鈣鈦礦太陽電池研究的基礎上（Adv. Sci. 2021, 8, 2003245; J. Mater. Chem. A 2021, 9, 12009; Energy Environ. Sci. 2021, 14, 6406; Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2110698; Nano Energy 2022, 100, 107529; Joule 2022, 6 , 2644; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 52223; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006; J. Mater. Chem. A, 2023,11, 6556; Nat. Commun. 2023, 14, 2166），在高效鈣鈦礦/矽疊層電池領域取得了新的進展。該團隊提出一種基於表面重構的鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池，認證效率達到29.3%（穩態效率29.0%），是目前報導的基於遂穿氧鈍化接觸（TOPCon）電池的最高效率之一。在該工作中，研究人員將正丁基碘化胺（BAI）溶於二甲基甲醯胺（DMF）和異丙醇（IPA）的混合溶劑中，並用於表面後處理。這種方法不僅可以實現BA離子在鈣鈦礦表面全面的A位替換，還能促進BA離子向鈣鈦礦薄膜內部的深擴散。在不影響薄膜質量的前提下，實現了鈣鈦礦薄膜表面和內部殘餘應力的同時釋放。經過應力釋放的薄膜表現出更少的缺陷態、更弱的離子遷移和更好的能級排列等優點，製得的單結電池和疊層電池分別獲得21.8%和29.3%的效率，並展現出良好的熱、濕、光照和運行穩定性。該工作促進了高效穩定的鈣鈦礦基太陽電池應變工程發展，並為未來的應用和部署提供了參考。
相關成果以「Surface Reconstruction for Efficient and Stable Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells with Greatly Suppressed Residual Strain」為題發表於Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.202211962）上。2020級直博生李鑫為第一作者，應智琴博士後、楊熹副研究員和葉繼春研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金（Grant No. 62204245）和浙江省重點研發計劃（Grant No. 2022C01215）等項目的支持。
基於鈣鈦礦表面重構的兩埠鈣鈦礦/矽疊層太陽電池
文章來源：中科院寧波材料所
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