钙钛矿-钙钛矿-硅三结太阳能电池界面工程新突破：效率超27%与稳定性提升

《Nature Nanotechnology》：Tailoring nanoscale interfaces for perovskite–perovskite–silicon triple-junction solar cells

本研究针对钙钛矿-钙钛矿-硅三结太阳能电池界面缺陷与稳定性难题，开发了哌嗪-1,4-二氯化物(PDCl)表面处理技术替代不稳定LiF，并优化金纳米颗粒尺寸实现欧姆接触与光学损失最小化。冠军器件获得27.06%认证效率（1 cm2）和23.3%稳态效率（16 cm2），封装器件通过IEC 61215热循环测试并在407小时MPPT后保持95%初始效率，为高效稳定多结光伏器件奠定基础。

　　

随着全球碳中和进程加速，太阳能电池的效率提升成为降低光伏能源成本的关键。理论上，三结太阳能电池可实现51%的功率转换效率(PCE)，远超单结和双结电池。然而，钙钛矿-钙钛矿-硅(perovskite-perovskite-silicon)三结器件的实际性能长期受限于界面缺陷、光学损失和材料稳定性问题。特别是顶部宽禁带钙钛矿的表面缺陷、中间层欧姆接触电阻以及钙钛矿材料本身的光热不稳定性，成为制约其商业化应用的瓶颈。

为解决这些挑战，研究团队通过界面纳米工程策略，系统性优化了钙钛矿-钙钛矿-硅三结电池的界面特性。他们采用哌嗪-1,4-二氯化物(piperazine-1,4-diium chloride, PDCl)表面处理替代传统不稳定的氟化锂(LiF)，并在原子层沉积(atomic layer-deposited, ALD)氧化锡(SnO₂)上调控金纳米颗粒(gold nanoparticles, Au NPs)的尺寸与覆盖度，实现了优异的电荷提取与光学管理。同时，通过铷(Rb)掺杂并去除甲铵(methylammonium, MA)，显著提升了钙钛矿体相稳定性。

sc(c)、V_oc(d)和PCE(e)分布（每组10个器件）。顶部值：最大值；顶部条：75百分位；中间条：中位数；底部条：25百分位；最低值：最小值；实心圆：实测数据。f,各组冠军器件的反向扫描电流密度-电压(J-V)曲线。'>

关键技术方法包括：采用铷优化钙钛矿前驱体组分(Cs_0.16Rb_0.04FA_0.8Pb(I_0.45Br_0.55)₃)；使用PDCl溶液旋涂进行表面钝化；通过热蒸发控制金纳米颗粒沉积时间（0.2–3.0 nm标称厚度）；利用透射电子显微镜(TEM)和严格耦合波分析(RCWA)表征界面结构与光学性能；采用硅异质结(SHJ)底电池作为三结器件的底层单元。

表面处理对钙钛矿顶结的优化

PDCl处理使1.91 eV钙钛矿器件的平均V_oc从1,298 mV提升至1,322 mV，填充因子(FF)从0.78增至0.81，冠军器件FF达84.5%。紫外光电子能谱(UPS)显示PDCl降低了钙钛矿与C₆₀之间的能带偏移，X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)证实PbI₂和PbO峰强度减弱，缺陷密度降低。稳态光致发光(PL)和瞬态光致发光(TRPL)表明载流子寿命延长，激活能(E_a)从1.90 eV降至1.79 eV，表明体相复合主导。

vac,真空能级；E_c,导带底；E_v,价带顶；E_f,费米能级。b,未处理（红色）与PDCl处理（蓝色）钙钛矿的X射线衍射测量。c-f,代表性未处理（红色）与PDCl处理（蓝色）钙钛矿的TRPL(c)、稳态PL(d)及其时间演化(e,f)。a.u.,任意单位。'>

钙钛矿结集成的界面调控

TEM分析揭示“超薄”金实为纳米颗粒，其尺寸和覆盖度随沉积时间增加而增大。标称厚度≥1.8 nm时出现团簇，3.0 nm时形成半连续膜。RCWA模拟表明金纳米颗粒引起局部表面等离子体共振，导致600 nm附近透射率下降。暗J-V测试显示金纳米颗粒的引入消除S型曲线，模拟能带图证实金纳米颗粒抑制SnO₂/NiO_x界面能带弯曲，降低载流子复合势垒。

2/(Au)/NiO_x测试结构的暗J-V特性。o,p,模拟的SnO₂/(Au)/NiO_x堆叠在热平衡下的能带图，无(o)和有(p)金界面。'>

三结器件演示

冠军1 cm2三结电池获得第三方验证的反向扫描PCE为27.06%，V_oc达3.16 V；16 cm2大面积器件认证稳态PCE为23.3%。外量子效率(EQE)谱显示硅底电池仍为电流限制环节。封装器件在407小时最大功率点跟踪(MPPT)后保持95%初始效率，并通过IEC 61215标准（-40°C至85°C）200次热循环测试。稳定性提升归因于Rb抑制相分离、无MA组分以及PDCl替代LiF。

95,功率输出降至初始值95%的时间。'>

本研究通过PDCl表面钝化与金纳米颗粒界面优化，实现了钙钛矿-钙钛矿-硅三结电池效率与稳定性的协同提升。27.06%的认证效率与通过IEC测试的稳定性标志着多结光伏器件向商业化迈出关键一步。未来通过禁带工程、光陷阱结构及大面积沉积工艺优化，有望进一步释放三结电池的理论潜力。