最新Nature: 深度解读！32.5%认证效率的钙钛矿-硅串联叠层电池

第一作者：Erkan Aydin、 Esma Ugur、 Bumin K. Yildirim

通讯作者：Erkan Aydin、Esma Ugur、Stefaan De Wolf

通讯单位：阿卜杜拉国王科技大学

撰稿：鹿饮溪

校对：坡肉先生

研究亮点：

1、通过采用超薄(5 nm)无定形铟锌氧化物(IZO)作为互连TCO来解决SAM能量覆盖不均匀。

2、通过改进前触点堆栈，获得了32.5%的独立认证效率，这是目前的最高效率。

3、5nm厚的IZO基串联体在870小时保留了其90%的初始效率，这是基于TCO/SAM互联结组合的最稳定的器件之一。

一、能量均匀的SAM层覆盖仍具有挑战

钙钛矿/硅串联叠层太阳能电池具有很大的吸引力，因为它可以在可接受的成本下实现高功率转换效率。在最先进的叠层电池中，钙钛矿顶部电池通过自组装单层(SAM)与硅异质结底电池电耦合，固定在透明导电氧化物(TCO)上，从而实现子电池之间的有效电荷转移。然而，可再生的高性能串联叠层太阳能电池需要能量均匀的SAM层覆盖，这仍然具有挑战性，特别是在纹理硅底部电池上。

二、成果简介

阿卜杜拉国王科技大学Erkan Aydin、Esma Ugur以及Stefaan De Wolf等人于Nature上刊发增强钙钛矿-硅串联太阳能电池的光电耦合的研究成果，作者通过采用超薄(5 nm)无定形铟锌氧化物(IZO)作为互连TCO来解决这个问题，利用其高表面电位均匀性，因为没有晶体颗粒，并且与通常使用的晶体TCO相比，SAM锚定位点密度更高。通过同样薄的IZO后电极和改进的前触点堆栈，结合光学增强，获得了32.5%的独立认证效率，同时这是钙钛矿/硅串联叠层中最高的。超薄透明接触方法减少了大约80%的铟消耗，这对可持续光伏制造非常重要。

三、结果与讨论

要点1：均匀互连处的电势分布

以往的研究试图通过改善SAM分子在氧化物表面的吸附来同质化SAM HTL的电位分布。例如，相对较小的和较大的SAMs的共吸附旨在提高填充密度，但不能使表面电位均质化。另一种策略是在TCO 和SAM之间插入一个氧化镍（NiOx）层，然而，这通常限制了器件的VOC，即使存在分子夹层。在作者的方法中，作者试图提高互连的TCOs的覆盖，而不需要额外的夹层。为此，作者研究了掺杂Sn、Zr、Zn和Zr（ITO、IZO和IZrO），结合应用小分子SAM，如2-（9h-咔唑-9-烷基）乙基膦酸（2PACz），以最大限度地提高TCOs上的密度。所有TCOs在退火后都被优化为等效片电阻和载流子浓度；在这注意到退火后IZO仍然是无晶态，而ITO和IZrO是多晶的。作者首先研究了20 nm厚的裸TCO层的功函数（WF），这是串联文献中最常报道的互连TCOs的厚度。

这些结果表明，不同的相互连接的TCOs的表面电位均匀性存在空间变化，作者利用KPFM映射进一步探索了这一点。作者观察到，晶体材料（即ITO，IZrO）由于其多晶性质，在2PACz锚定前后表现出更大的不均匀性，其发现不同的晶面产生不同的表面电势，对于裸的和2PACz锚定的TCOs，表面电位量级的平均局部变化被排序为IZO

要点2：通过超薄IZO互连层改善填充系数

用于制造串联体的细化互连TCOs导致了FFs 的改善。为了了解这一促进作用，作者首先通过横截面扫描电子显微镜（SEM）分析来检查钙钛矿的晶体的质量。然而，作者发现钙钛矿薄膜质量在较薄的TCO层上没有显著变化。值得注意的是，与20 nm IZO层相比，5 nm IZO层诱导了更多的电场，这可能是由于2PACz诱导了更高的净偶极子和WF的均匀性，与覆盖因子一致。此外，高电阻TCO可能有助于定位钙钛矿中可能的电分流路径，这些路径是由于不可避免地存在的远程薄膜不均匀性，如针孔。为了探索这一点，作者使用光致发光（PL）成像检测了多个钙钛矿/硅串联体。作者在钙钛矿晶胞中发现了微米级的异质性——即使是在表现最好的串联电池中——这是肉眼无法分辨的。从这里开始，作者可以假设互连结的高横向电阻率抑制了局部分流对整体器件性能的影响。为了了解互连层电阻率对局部分流路径和器件性能的影响，作者使用Quokka3软件构建了三维电气模型。因此，作者推断，将锥体纹理上的IZO厚度减少到5 nm可以分离出顶部电池的局部缺陷区域，这与之前的发现一致。

要点3：通过减薄的前后IZO电极提高电流密度

首先，作者将IZO层厚度从120 nm减少到5 nm，因为较厚的IZO层导致电流损失1.92 mA cm-2。其次，作者设计了一个覆盖这TCO的电极结构，以在不危及电荷流的情况下改善内部后反射，该电极结构由Ag网格组成，中间点缀着一层200 nm厚的热蒸发氟化镁层，以及与器件边缘的Ag母线重叠的溅射Ag膜组成，结果是20.82和20.86 mA cm-2电流输出。将串联堆叠中所有IZO层，包括外部电极和互连层，从210 nm减少到50 nm，可显著减少吸收损失。此外，利用更薄的IZO层意味着从 ca开始减少了In的使用（4.03至0.86mg/W），这是迈向可持续光伏制造的关键进展。

要点4：钙钛矿/硅串联式太阳能电池的性能和稳定性

单片钙钛矿/硅串联太阳能电池的结构如图所示，其在钙钛矿/硅结点处的横截面扫描电镜图像如图所示。作者将效率从29.6提升到32.6%，作者使用电致发光（EL）测量来生成具有代表性的单片串联电池及其电池的所谓伪J-V曲线，显示J-V响应中没有任何电阻贡献。作者使用热塑性聚氨酯（TPU）封装剂和丁基橡胶边缘密封，评估了具有不同TCO互连层的钙钛矿/硅串联电池的运行稳定性。然后，将电池在室温度下和1个光强照明下进行最大功率点跟踪（MPPT）测量。此外，5nm厚的IZO基串联体保留了其90%的初始PCE（T90），持续了870h，这是基于TCO/SAM互联结组合的最稳定的器件之一。

四、小结

在这项工作中，作者提出了基于TCO/SAM互连的钙钛矿/硅串联叠层电池，从而获得了最高效率及最长的运行稳定性，但需要进一步的审查来全面了解钙钛矿光伏的降解机制，目的是获得更长期的运行稳定性。

五、参考文献

Aydin, E., Ugur, E., Yildirim, B.K. et al. Enhanced optoelectronic coupling for perovskite-silicon tandem solar cells. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06667-4

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