三结太阳能电池缺陷钝化与光学管理协同实现32.22%认证效率
在光伏技术追求更高效率的进程中，三结太阳能电池因其分级利用太阳光谱、有望突破单结电池肖克利-奎伊瑟极限而备受关注，其理论转换效率可超过50%。其中，钙钛矿/钙钛矿/硅三结架构尤为引人注目，因为它将工业成熟的硅底电池与钙钛矿材料高度可调的光电特性相结合。然而，这类器件的实际性能受限于两大瓶颈：其一，宽带隙钙钛矿顶电池存在严重的开路电压（VOC）损失，削弱了预期的电压增益；其二，多层堆叠结构中光管理不佳，导致反射损失和电流失配。宽带隙钙钛矿为实现顶电池功能需掺入大量溴离子，但这会改变前驱体化学和溶剂相互作用，增加薄膜体相和表面缺陷，严重限制载流子寿命和辐射效率。尽管已有多种添加剂和表面钝化策略被探索，但能够同时实现化学钝化和场效应钝化的单分子设计仍面临挑战。同时，三结器件中复杂的光学堆叠结构也要求精确的光学建模与优化，以实现子电池间的电流匹配。
针对上述挑战，常州天合光伏科学技术国家重点实验室陈奕峰、高纪凡、张学玲和谢志刚和复旦大学张鸿副教授、东南大学姚惠峰教授共同提出了一种协同策略，同时解决了钙钛矿/钙钛矿/硅三结太阳能电池的电学和光学限制。他们开发了一种新型钝化分子4F-POEABr，该分子通过其共轭缺电子骨架提供场效应钝化，并与铵基的化学钝化协同作用，显著抑制了宽带隙钙钛矿薄膜的表面缺陷复合。同时，通过系统性的干涉管理，利用非传统的厚氧化锡（SnOx）/氧化铟锌（IZO）双层结构作为光学间隔层，优化了光场分布，将电流受限的中电池的光电流密度提升了0.5 mA cm-2。最终，该三结器件在1.046 cm-2孔径面积上取得了32.22%的认证稳态转换效率，在15.62 cm2孔径面积上取得了26.97%的效率，并展现出优异的运行稳定性。相关成果以题为“Defect passivation and optical management of triple-junction solar cells”发表在最新一期《Nature》上，值得一提的是，这也是天合光能不到两周，发的第二篇Nature正刊。
新型钝化剂的设计与验证
研究人员首先通过器件建模，量化了表面复合和场效应钝化对开路电压的影响。模拟表明，在正面照光的宽带隙钙钛矿器件中，钙钛矿/C60界面的前侧复合是主要的界面损失通道，因此需要同时进行化学和场效应钝化。受此指导，他们设计并合成了4F-POEA Br 分子（图1c）。该分子由缺电子的氟代共轭核心和两个烷基铵基团组成。静电势（ESP）映射（图1d）和密度泛函理论（DFT）计算表明，氟原子的引入增强了分子的吸电子特性，从而在钙钛矿表面形成局域电荷积累，提供场效应钝化。同时，该分子在PbI2和FAI终止的钙钛矿表面上均表现出强吸附能，并通过双铵基团有效消除了由FA空位（VFA）引起的深能级陷阱态（图1f），实现了高效的化学钝化。
图 1 | 用于减轻宽带隙钙钛矿/电子传输层界面非辐射复合损失的分子设计
宽带隙钙钛矿子电池的表征
实验表征证实，4F-POEABr处理能有效钝化宽带隙钙钛矿表面。X射线衍射和掠入射广角X射线散射分析表明其抑制了过量PbI2并降低了结晶取向。X射线光电子能谱显示Pb 4f和Br 3d结合能向低能量方向移动，表明表面配位增强。最关键的是，光致发光量子产率（QFLS）测试显示（图2a、2b），4F-POEABr处理的薄膜QFLS平均值达到1.53 eV，相比对照组和未氟化的POEABr处理组均有显著提升。时间分辨光致发光（TRPL）测试（图2c）表明，处理后的薄膜少数载流子寿命从56.5 ns延长至190 ns，陷阱辅助复合被有效抑制。在1 cm2级别的n-i-n导电硅衬底上制备的单结宽带隙钙钛矿太阳电池（带隙1.95 eV），实现了1.413 V的VOC和14.55%的效率（图2d），这是目前该带隙在厘米级衬底上报道的最高VOC值。此外，4F-POEABr处理还显著增强了薄膜抗卤化物相分离的能力（图2f），并在最大功率点（MPP）追踪1000小时后仍保持约75%的初始效率（图2g）。
图 2 | 宽带隙钙钛矿薄膜及其对应单结器件的光学和电学性能
中间子电池的光干涉管理
为了优化三结器件中的光电流匹配，研究者建立了基于椭偏仪的光学模型，精确提取了各层薄膜的光学常数。通过转移矩阵法与射线追踪相结合的混合光学模型，他们发现中电池的光电流密度对SnOx和IZO层的厚度极为敏感（图3a）。出乎意料的是，模拟显示存在一个约120 nm的SnOx厚度最优值，远高于常用的~30 nm。这种反直觉的行为源于厚度依赖的光学干涉效应，厚的 Sn O x 层充当光学间隔层，在650 nm波长附近减少了约3%的反射，从而将光子通量重新分配到中电池的主要吸收波段。实验中，采用该优化结构（图3b）的三结器件，其中电池的外量子效率（EQE）积分电流密度获得了0.5 mA cm-2的绝对增益（图3c）。重要的是，电学模拟和实验（图3d-3f）证实，即使SnOx厚度增加至120 nm，其垂直电子传输导致的电压损失（Vmp）也可忽略不计（约-0.01 mV），这归功于SnOx本身具有可观的电子迁移率（平均1.4 cm2 V-1s-1）。
图 3 | 通过超厚 SnOx/IZO 双层互连层进行光学管理
高效稳定的三结器件性能
将优化的宽带隙钙钛矿钝化工艺和光学干涉管理集成到完整的三结器件中（结构为：织构化硅/ITO/Me-4PACz/中带隙钙钛矿（1.53 eV）/C60/厚SnOx/IZO/ NiOx /Me-4PACz/ Al2 O3 /顶电池（1.95 eV）/C60/ SnOx /IZO/Ag/ MgFx，图4a），最终的器件性能取得突破。经上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）独立认证，1.046 cm2孔径面积的冠军器件反向扫描效率达32.37%，正向扫描为32.03%（图4b），在2.789 V工作电压下追踪6分钟获得的稳态效率为32.22%（图4c）。该器件同时实现了创纪录的3.247 V高VOC和12.16 mA cm-2的JSC。统计数据显示，目标器件的各项参数平均值均优于对照组，且分布更集中（图4f）。在15.62 cm2孔径面积的大面积器件上，也实现了26.97%的认证稳态效率（图4d、4e）。在稳定性方面，封装器件在45°C、1个太阳光照下进行最大功率点追踪1000小时后，仍保持约80%的初始效率（图4g）；在常州进行的42天户外实测中，仍保持80.9%的初始效率，而对照组已衰减至约10%（图4h）。
图 4 | 三结串联器件的性能和操作稳定性
总结与展望
这项研究证明，通过将分子级表面钝化与器件级光学干涉管理相结合，能够有效提升钙钛矿/钙钛矿/硅三结太阳能电池的性能。定制设计的4F-POEABr钝化剂同时改善了宽带隙钙钛矿的表面均匀性、电子质量和相稳定性，实现了高电压子电池。与此同时，采用电学损耗极低的厚SnOx层作为光学间隔层，增强了中电池的光电流，且未牺牲传输性能。这种协同策略使小面积和大面积器件均取得了目前已知的钙钛矿基三结电池最高认证效率，并显著提升了运行稳定性。该工作为集成分子钝化与光学工程提供了一个通用设计框架，为发展可规模化、超高效率的多结光伏技术开辟了可行路径。
热门跟贴