效率超过25%的钙钛矿/硅异质结叠层太阳能电池

来源：X-MOL（x-mol.com）

目前整个光伏市场的90%由硅基太阳能电池所占据，实验室报道的硅电池效率也已经达到了26.7%，在逐渐逼近其效率极限29.4%。为了使其超过这个极限，叠层电池是一种很好的策略，通常叠层器件分为两层，上层为宽带隙的材料，下层是窄带隙的材料。硅电池的带隙是1.12 eV，接近其下层电池的最优带隙，因此需要匹配一个上层电池材料，其上层电池材料最优的带隙大约在1.65-1.7 eV左右。考虑到光学损失及光致次带隙等各种因素，钙钛矿材料是绝对优选的材料。此外，使用硅基太阳能电池作为下层电池的最主要优势是其光电转换效率（PCE）较高，开路电压可以超过730 mV。

近期，英国牛津大学钙钛矿领域元老Henry J. Snaith教授课题组与德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心（HZB）的研究人员合作，通过在硅基电池和钙钛矿电池引入纳米晶氧化硅（nc-SiOx:H）界面进行红外光管理，制备了高效钙钛矿/硅异质结叠层太阳能电池器件，向大家展示了一种PCE有望突破28%的方案。

图1. （a）硅电池与钙钛矿电池分别的器件效率图，（b）外量子效率图。图片来源：Adv. Energy Mater.

首先需要对单层器件的效率进行评估。其中硅基太阳能电池的效率可以达到20.5%，单层钙钛矿太阳能电池的效率可以达到18. 4%。由外量子效率图可以看出，两者的光伏影响可以实现比较好的互补，在整个400-1200 nm光谱范围内有非常好的光伏响应。

图2. （a）叠层器件的模拟堆积示意图，（b）上层部分的截面电镜图，（c）以50 nm的界面的反射参数作变量的电流变化曲线，（d）界面后对对于电流的变化曲线，（e）实验的外量子效率及总吸收曲线，（f）器件堆积的反射参数。图片来源：Adv. Energy Mater.

研究者在硅基电池和钙钛矿子电池之间引入纳米晶氧化硅（nc-SiOx:H）以减少红外反射损耗。首先针对钙钛矿与硅基子电池进行叠加后的器件进行不同界面层厚度的模拟，通过截面扫描电镜可以看出钙钛矿层具有非常好的结晶。其次，他们研究了nc-SiOx:H界面的不同折射率对于两层子电池器件电流的影响，从而确定具有最优折射参数的界面。他们还确定了界面及两层子电池的厚度。通过光学模拟及不同的调节，制备的叠层器件的外量子效率曲线不但从紫外区到1200 nm的整个区域有非常好的吸收，关键在某些区域可以达到近似完全的吸收，几乎没有光学吸收损失，足以看出叠层器件的优势。

图3.（a）叠层器件的正扫反扫效率曲线，（b）外量子效率曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

作者通过前面的计算模拟和实验得到出了各种最优厚度及最优的界面折射率后，将两者进行叠加，制备了叠层器件，其中正扫与反扫的器件效率几乎一致，没有出现典型的钙钛矿电池中的迟滞效应。叠层器件PCE均在25.34%左右，其短路电流为19 mA cm-2，开路电压为1791 mV，填充因子为74.3。

总之，作者通过一系列的实验与模拟，通过引入nc-SiOx:H 界面，制备了高效钙钛矿/硅异质结叠层太阳能电池。不过，该叠层器件性能仍然受限于其底层子电池。这一工作展示了如何提高钙钛矿电池效率的一个思路，也提供了一种PCE有望突破28%的方案。鉴于硅电池已经完全商业化，如果集成钙钛矿太阳能电池，使得效率达到最佳，就有希望实现成本的降低。