由于混合铅锡（Pb-Sn）钙钛矿薄膜组成的窄带隙子电池不均匀结晶和下埋底钙钛矿界面（下界面，即钙钛矿光吸收层/电子传输层界面），全钙钛矿串联太阳能电池的可扩展制造具有挑战性。 在此，南京大学谭海仁教授等人在混合锡（Sn）-铅（Pb）金属卤化物钙钛矿前驱体中加入一种两性离子盐，即氨基乙酰胺盐酸盐（AAH），以触发成分之间的相互作用，包括碘化铅、碘化锡、甲脒碘化物和溶剂（二甲基甲酰胺和二甲基亚砜）。特别是，AAH盐和二甲基甲酰胺的配位有效地减缓了钙钛矿涂覆到基底上的溶剂释放。因此，在观察到结晶之前，将涂覆过程中形成均匀的大面积钙钛矿薄膜的时间窗口从10秒延长到100秒。由此产生的全钙钛矿叠层太阳能组件的认证功率转换效率为24.5%，孔径面积为20.25 cm2，这种方法可能为商业化提供一条可行的途径。
相关文章以“Homogeneous crystallization and buried interface passivation for perovskite tandem solar modules”为题发表在Science上。
研究背景
太阳能电池在改变能源需求方面发挥着至关重要的作用。由金属卤化物钙钛矿材料制成的单结太阳能电池显示出巨大的潜力，在将太阳光转化为电能方面实现了约26%的效率。这使得它们对光电应用具有吸引力，例如激光器、光探测器和发光二极管。串联太阳能电池可以打破单结太阳能电池的这一效率限制，减少热损失并扩大太阳光谱利用范围，甚至小面积全钙钛矿串联电池的效率可达28%。然而，开发大面积（~20 cm2）全钙钛矿串联模块具有挑战性，其在放大钙钛矿时难以控制均匀结晶。 钙钛矿的可调带隙确保了全钙钛矿串联太阳能电池的可行性，该电池由宽带隙（~1.70至1.85 eV）钙钛矿顶部子电池和低带隙（~1.2至1.3 eV）钙钛矿底部子电池组成。开发大面积全钙钛矿串联电池的一个主要障碍是效率低，这是由于宽带隙和低带隙钙钛矿层的非均质结晶。通常，湿钙钛矿层需要作为涂层均匀地涂在导电基板上。将钙钛矿涂覆到大面积上比将钙钛矿涂覆到小面积上需要更多的时间，这种时间的增加使得钙钛矿相的不均匀结晶扩散的可能性大幅度增加。因此，有必要制定策略来延长均匀钙钛矿薄膜形成的时间窗口。湿钙钛矿薄膜的缓慢成核和溶剂的缓慢挥发可以通过可扩展的溶液处理涂层技术延长钙钛矿结晶的时间窗口。
内容详解
二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）的比例影响了涂覆的Pb-Sn钙钛矿薄膜的结晶和形貌。研究发现，DMF：DMSO = 9：1（v/v）是Pb-Sn钙钛矿薄膜形貌的最佳选择，而溶剂比不适当导致形成具有空隙的Pb-Sn钙钛矿薄膜。然后，作者研究了钙钛矿薄膜的质量与涂覆处理窗口（Δt）的函数关系，将其定义为涂覆钙钛矿油墨所需的时间总和 （Δt1）和用于将湿膜转移到加热阶段（Δt2）。DMF：DMSO = 9：1（v/v）的对照油显示出较短的处理窗口，这导致之后刮刀涂覆的 Pb-Sn 钙钛矿薄膜上出现针孔。将AAH掺入前驱体油墨中，将Δt延长至100 s，并产生无针孔的Pb-Sn钙钛矿薄膜（图1A），具有大而垂直取向的晶粒，处理窗口影响了Pb-Sn PSC的性能。对照PSCs对Δt表现出高敏感性，性能随着Δt的增加而急剧下降，而AAH Pb-Sn PSCs在Δt延长时保持相似的性能。
吸光钙钛矿薄膜通常在器件中有两个触点——其顶面和底面（埋入界面），界面的质量与钙钛矿薄膜的均匀性同样重要。当将钙钛矿薄膜涂覆在基板上时，随着溶剂的蒸发，薄膜中从上到下的结晶很容易在埋藏界面处引起缺陷，这会导致电荷复合，是一个浪费能量的过程。本文观察到AAH盐从钙钛矿层顶部到底部的分布增加。底部的AAH+离子钝化了界面缺陷并减少了电荷捕获，从而最大限度地减少了埋入界面处的复合损失。最终，均匀的高质量钙钛矿薄膜和钝化埋藏界面的协同作用，促进了Sn-Pb低带隙钙钛矿底部子电池的性能提升。先前对大面积宽禁带钙钛矿顶部子电池的研究表明，钙钛矿的成分工程会影响结晶的均匀性，并促进涂层过程中大面积高质量钙钛矿薄膜的形成。
图2.延长处理窗口的机理
图3.涂覆Pb-Sn钙钛矿薄膜和太阳能电池的光电性能
然而，组件的可靠性是未来商业化的一个关注点。作者观察到与基于甲脒和甲胺低带隙钙钛矿底部子电池的组件相比，无甲胺（甲脒和铯）钙钛矿串联组件具有更好的操作稳定性、湿热稳定性和热循环稳定性。钙钛矿中的甲胺在恶劣应力（如热和光照）下容易挥发，从而引发钙钛矿分解，这应该指导全钙钛矿叠层组件的稳定性改进。研究结果显示，本文的研究结果支持对大规模均匀高质量钙钛矿薄膜的添加剂工程和涂层技术的关注。进一步提高大面积全钙钛矿串联太阳能组件的效率到34%的预测实际极限是下一个目标。此外，最大限度地减少钙钛矿材料在实际室外环境中的年降解，是决定全钙钛矿串联模块商业能力的关键因素。事实上，与主流晶体硅光伏25年的使用寿命相比，还有很大的改进空间。
综上所述，本文演示了20.25 cm2全钙钛矿叠层太阳能组件，认证效率达到24.5%。为了实现这种性能，使用了Good列表中的短链缓冲液来均质化钙钛矿结晶并钝化埋底界面，使得全钙钛矿叠层太阳能电池实际上可以达到30%的效率。同时，由于Pb-Sn晶胞中的低吸收、光反射和吸收效率低，低Jsc仍然是主要的瓶颈，其可以通过光管理、加厚具有长载流子扩散长度的 Pb-Sn吸收层以及减少模块中的死区来解决。此外，钙钛矿-C60界面造成的Voc损失可以通过利用可扩展的后处理钝化方法来抑制，如化学钝化或仅与3D/3D异质结集成，但其均匀沉积仍有待开发。在稳定性方面，用惰性电极（如导电透明氧化物）代替金属电极，用热稳定的金属电极代替隧道复合结，将进一步增强所有钙钛矿串联模块的耐久性。
Han Gao†, Ke Xiao†, Renxing Lin†, Siyang Zhao, Wenliang Wang, Sergey Dayneko, Chenyang Duan, Chenglong Ji, Hongfei Sun, Anh Dinh Bui, Chenshuaiyu Liu, Jin Wen, Wenchi Kong, Haowen Luo, Xuntian Zheng, Zhou Liu, Hieu Nguyen, Jin Xie, Ludong Li, Makhsud I. Saidaminov, Hairen Tan*, Homogeneous crystallization and buried interface passivation for perovskite tandem solar modules, Science. (2024). 10.1126/science.adj6088
