采用自组装空穴接触层的全子电池全钙钛矿三结太阳能电池

《Joule》：Triple-junction all-perovskite solar cells with self-assembling hole contacts in all subcells

　　

尽管全钙钛矿多结器件发展迅速，但广泛使用的空穴传输层(HTL)聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)因其酸性和寄生吸收，限制了窄带隙锡铅(Sn-Pb)底电池的稳定性和效率。虽然自组装单分子层(SAM)在铅基钙钛矿中作为HTL已十分成熟，因此被认为在Sn-Pb钙钛矿中具有潜力，但其实际应用仍相对滞后。在这项研究中，研究人员揭示了SAM限制Sn-Pb钙钛矿薄膜中电荷提取并导致埋底界面不均匀的潜在机制。基于这些见解，研究人员证明氧化石墨烯(GO)/SAM双层结构可同时减轻电子和离子损失，使单结Sn-Pb器件的效率达到22.1%，开路电压(VOC)达到0.88 V。在全钙钛矿三结(3J)器件中，该双层结构减少了近红外区域的寄生吸收，实现了27.3%的效率(稳定在27.0%)。该双层结构的化学良性特性改善了器件稳定性，在25°C下运行770小时后仍保持初始效率的90%。

全钙钛矿三结太阳能电池研究解读

研究背景与意义

单结太阳能电池的效率受细致平衡极限限制约为33.7%，而多结太阳能电池通过堆叠不同带隙的吸收层，能有效减少热化和透射损失，理论上双结和三结的极限效率分别可达约44%和52%。全钙钛矿多结太阳能电池(APMSCs)结合了钙钛矿材料低用量、柔性及成本效益高的优势，是下一代光伏技术的重要发展方向。目前，带隙约1.25 eV的锡铅(Sn-Pb)钙钛矿底电池是决定全钙钛矿多结器件性能的关键。然而，广泛使用的空穴传输层(HTL)聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)存在显著缺陷：其寄生吸收会降低短路电流密度(J_SC)，且其吸湿性和酸性会恶化Sn-Pb钙钛矿，引发碘化物副产物生成、碘空位增加，并促进Sn²⁺氧化为Sn⁴⁺，严重制约了器件的效率与稳定性。尽管自组装单分子层(SAM)在纯铅基钙钛矿中表现优异，但在Sn-Pb体系中的应用因对其作用机制理解不足而进展缓慢。因此，开发新型HTL以替代PEDOT:PSS并阐明其在Sn-Pb体系中的工作机制，对于推动高性能、高稳定性全钙钛矿多结太阳能电池的发展具有至关重要的科学意义和应用价值。

关键技术方法

研究人员采用了多种前沿表征与制备技术。在材料制备方面，涉及不同带隙钙钛矿前驱体溶液的配制及单结与三结太阳能电池的集成工艺。在机理探究方面，综合运用了X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学键合环境；利用原子力显微镜(AFM)和拉曼(Raman) Mapping观察表面形貌与均匀性；通过外部量子效率(EQE)、瞬态表面光电压(trSPV)和Suns-V_OC测试评估光电转换与电荷动力学；借助二次离子质谱(TOF-SIMS)和二维掠入射广角X射线散射(2D GIWAXS)剖析埋底界面的元素分布与结晶取向。此外，通过快速迟滞测量和偏压辅助电荷提取(BACE)量化离子活性与密度，并利用连续光照测试评估器件运行稳定性。

研究结果

文献综述与单结Sn-Pb PSCs

研究人员首先对比了单一MeO-2PACz、单一氧化石墨烯(GO)及GO/MeO-2PACz双层结构作为HTL的性能。XPS与FTIR证实MeO-2PACz的膦酸锚定基团通过共价和氢键相互作用均匀锚定在GO表面。AFM显示双层结构具有更好的保形性。最终，基于双层HTL的单结Sn-Pb器件取得了22.1%的最高效率，V_OC达0.879 V，填充因子(FF)达77.2%，显著优于单一组分器件，证明了双层协同效应的优越性。

性能损失机制与电荷动力学

通过EQE和1-R分析发现，单一MeO-2PACz器件存在显著的电荷收集损失。准费米能级分裂(QFLS)和trSPV测试表明，单一SAM界面抑制了电荷分离并增加了电子-空穴复合。Suns-V_OC测试揭示单一MeO-2PACz的FF损失高达26.0%。快速迟滞测量和BACE结果显示，单一MeO-2PACz器件的离子损失高达52.0%，离子密度是双层器件的5.7倍。这表明单一SAM引发的移动离子聚集导致内部电场屏蔽，是限制电荷提取的根本原因。

埋底界面质量

SEM图像显示，单一MeO-2PACz上的Sn-Pb薄膜在埋底界面存在大量空隙，而GO和双层结构上则覆盖均匀。EDX Mapping发现单一MeO-2PACz界面处有氟团聚现象。2D GIWAXS结果表明，双层结构诱导了(100)晶面平行于表面的择优取向，有助于抑制深能级陷阱密度。原位PL测量证实双层促进了更快的成核生长动力学，形成了更均匀的埋底界面。

三结全钙钛矿太阳能电池的光伏性能

研究人员将优化后的双层结构集成至三结器件中。通过引入ITO中间层并优化中间电池带隙至1.60 eV以解决电流失配问题，冠军三结器件实现了27.3%的效率，稳定效率达27.0%，0.1225 cm²活性面积下的短路电流达10.7 mA cm^-2。伪J-V曲线分析指出，进一步降低串联电阻损失有望突破30%的效率瓶颈。稳定性测试表明，基于双层的封装三结器件在25°C连续光照下运行770小时后仍保持90%的初始效率(T₉₀)，远优于PEDOT:PSS基器件的380小时，是目前报道中最稳定的三结全钙钛矿器件。

讨论

综上所述，研究人员明确了SAM在Sn-Pb钙钛矿中存在离子损失和埋底界面较差等关键限制因素，并成功开发了GO/MeO-2PACz双层策略。该策略有效解决了单一SAM和PEDOT:PSS的局限性，显著提升了单结及三结器件的性能与稳定性。性能损失分析表明，未来通过解决电荷传输中的串联电阻损失以及提升钙钛矿质量和能带工程，有望实现超过30%的光电转换效率。