Science述评｜全钙钛矿叠层太阳能电池

来源：ScienceAAAS

中科院青促会 逄淑平

（中科院青岛生物能源与过程研究所）

评述论文：Carrier lifetimes of >1 μs in Sn-Pb perovskites enable efficient all-perovskite tandem solar cells （Science 19 April 2019: Vol 364, Issue 6437）

太阳能电池是当前可再生能源应用的一个重要领域，在资源，环境，气候等受到广泛关注的社会热点中具有重要地位。光吸收材料是太阳能电池的核心，它实质上负责吸收光能然后转化为使用方便的电能。众所周知，太阳光是由不同波长的光复合而成，每种不同波长的光都对应着不同的能量。半导体材料的带隙是一个重要的参数，它决定了太阳能光谱的吸收范围和转化极限。理论上讲，半导体材料的带隙越小，可以吸收波长范围就越大。然而，半导体材料的带隙也决定了太阳能电池的最大输出电压。这是一个相互矛盾的过程，带隙越小，输出电压也就越小，相应会造成太阳能的浪费。对于单结太阳能电池来说，即使具有最优化的带隙以及其他所有的理想条件，在极限效率下也仅仅能将约三分之一的太阳能转化为电能。最理想的方式是将不同带隙的半导体材料组合成叠层太阳能电池以最大限度的利用太阳光。

图1. （a）叠层电池的示意图，（b）两端叠层钙钛矿电池的J-V曲线，顶电池、底电池对应的量子转换效率曲线。

低成本钙钛矿太阳能电池作为光伏领域的新星，正在受到广泛关注。目前制约全钙钛矿叠层电池发展的主要问题是缺少高质量的窄带隙钙钛矿太阳电池。铅-锡复合设计是降低钙钛矿带隙的有效方法，但是目前铅-锡复合钙钛矿太阳电池最优效率约为19%，远低于一个高效叠层电池所需要的条件。铅-锡复合钙钛矿太阳电池较低的光电转化效率主要受限于高缺陷浓度，高载流子浓度，高表面复合速率，低载流子寿命。另外，正二价锡元素在空气中极容易氧化成四价锡，破环铅-锡复合钙钛矿薄膜的电学性质。铅-锡复合钙钛矿薄膜电池一般表现出较差的光照稳定性。

在本期的《科学》杂志中，来自美国国家可再生实验室Kai Zhu、Joseph J. Berrye教授和来自美国托莱多大学Yanfa Yan教授合作报道了一种突破全钙钛矿叠层电池瓶颈的新策略，即通过硫氰酸胍掺杂来制备高效高质量的窄带隙铅-锡复合钙钛矿太阳电池。实验发现硫氰酸胍附着于铅-锡复合钙钛矿晶粒的表面，有效的钝化了界面符合，并能成功防止锡元素的氧化。这种方法可以达到（1）将缺陷态密度降低了一个数量级，（2）延长载流子寿命达到1 us以上，（3）将载流子扩散长度由500 nm延长至2.5 um，（4）降低表面复合速率，（5）提高薄膜质量。通过这种方法制备的窄带隙（1.25 eV）铅-锡复合钙钛矿太阳电池自身可以实现超过20%的光电转化效率。最终与带隙为1.75 eV的宽带隙太阳电池组成叠层电池之后，四端全钙钛矿叠层电池可以实现25%的转化效率，两端也可以实现超过23%的光电转化效率，同时也呈现出良好的稳定性。高质量窄带隙钙钛矿薄膜的开发，为钙钛矿叠层太阳能电池的构建开辟了一条途径，随着器件工艺和界面的进一步优化设计，有望实现大于30%的光电转换效率。

博士，中科院青岛生物能源与过程研究所研究员、中科院青年创新促进会会员、基金委优秀青年基金获得者。主要从事光电转换材料与器件的研究。

参考文献：

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