The Innovation | 大面积全钙钛矿叠层太阳电池的进展与展望

导 读

虽然目前全钙钛矿叠层太阳电池的认证效率（28%）已经超过单结钙钛矿太阳电池（26.1%），但大部分工作主要集中在相对小面积（~0.05 cm²），高效大面积全钙钛矿叠层太阳电池的制备始终是一个亟待解决的难题。本文聚焦于平方厘米级全钙钛矿叠层太阳电池的最新研究，为实现大面积高效全钙钛矿叠层太阳电池及组件的制备和规模化生产提供前瞻性视角。

随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，新型光伏技术呈现出前所未有的发展趋势。有机无机杂化钙钛矿材料具有优异的光电特性，在光电转换领域取得重要进展。构建钙钛矿基叠层太阳电池，突破单结光伏器件效率极限，是提效降本的有效途径。钙钛矿/钙钛矿（全钙钛矿）叠层太阳电池因制备成本低并有望突破单结太阳电池的肖克利-奎伊瑟理论效率极限而备受关注。

全钙钛矿叠层太阳电池主要由宽带隙（1.7 ~ 1.9 eV）钙钛矿顶电池，窄带隙（~1.1 ~ 1.3 eV）钙钛矿底电池和中间连接层三部分组成。2016年，周印华等人首次报道了两端全钙钛矿叠层太阳电池。目前，已报道的两端全钙钛矿叠层太阳电池的最高认证效率已突破28.0%，超高了单结钙钛矿太阳电池的最高认证效率（26.1%），但是大部分主要集中在相对小面积（~0.05 cm²），大面积全钙钛矿叠层太阳电池的制备始终是一个亟待解决的难题。

图1 空穴传输材料的基本性质、作用机制及全钙钛矿叠层太阳电池（~ 1 cm²）的光伏性能。

针对上述问题，赵德威等人开发了一种新型的自组装单分子层（即4PADCB），即在商用4PACz（图1A和1B）的咔唑基团中引入了两个苯环由此精准合成了4PADCB（图1D和1E）。其独特的空间扭曲结构赋予4PADCB分子良好的成膜性及表面浸润性，有利于大面积高质量宽带隙钙钛矿薄膜的生长；同时4PADCB呈现出明显的有序取向分布，并平行于衬底氧化铟锡（ITO）表面，这有利于钙钛矿、空穴传输层和ITO之间的空穴传输，而4PACz则没有类似的特征（图1C和1F）。

与4PACz和PTAA相比，4PADCB还可以更均匀地锚定在ITO表面，最终使沉积在4PADCB上的宽带隙钙钛矿薄膜具有更高的质量。实验结果显示4PADCB/钙钛矿样品的最大准费米能级分裂（QFLS）值为1.349 eV，而4PACz/钙钛矿样品和PTAA/钙钛矿样品的QFLS值分别为1.328 eV和1.300 eV，这表明4PADCB作为空穴传输层可以有效地降低界面非辐射复合损失。

4PADCB作为空穴传输材料应用于宽带隙钙钛矿顶电池，显著提升了宽带隙顶电池的性能，并由此制备了认证稳态效率为26.4%的大面积（~1 cm²）全钙钛矿叠层太阳电池。值得注意的是，这一效率是当时所有平方厘米级面积单结钙钛矿太阳电池和全钙钛矿叠层太阳电池的最高认证效率（图1G），并多次被业内权威的“Solar cell efficiency tables”以及“太阳电池中国最高效率”所收录。最后，研究者通过分析界面复合和传输损失最小化及光管理等策略，讨论了实现效率 ≥30%的大面积全钙钛矿叠层太阳电池和组件的可能性（图1H）。

该工作通过开发新型空穴传输材料，为实现高效的大面积全钙钛矿叠层太阳电池和组件提供了一条有效的途径。在未来，开发可同时适用于宽、窄带隙两个子电池的高效空穴传输材料可以有效降低资金与实验设备的投入和器件制备等工艺的要求，这对推进大面积全钙钛矿叠层太阳电池和组件的商业化生产进程具有重要意义。

总结与展望

全钙钛矿叠层太阳电池从实验室制备升级到商业生产仍面临着巨大挑战。为了实现这一目标，开发高效可扩展的溶液涂层技术是制备面积 >10 cm²的高性能钙钛矿器件的必需途径。同时，功能层的溅射或蒸发沉积应与规模化制备工艺相适应。此外，减少有毒溶剂的使用，并探索绿色溶剂体系是迫切需要关注的课题。最后，柔性大面积全钙钛矿叠层太阳电池和组件的开发同样亟需重视。在研究人员的共同努力下，全钙钛矿叠层太阳电池未来一定会取得高速发展。

责任编辑

韩冬冬    吉林大学

董   磊    山西大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00121-2

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第五期以Commentary发表的“All-perovskite tandem solar cells gallop ahead” (投稿: 2023-07-01；接收: 2023-08-02；在线刊出: 2023-08-03)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100493

引用格式：Zhu J., and Zhao D. (2023). All-perovskite tandem solar cells gallop ahead. The Innovation. 4(5), 100493.

作者简介

赵德威，四川大学教授，博士生导师，曾入选2019年国家级青年人才、四川省学术和技术带头人、四川省杰出青年科技人才、四川省青年人才引进计划，曾获德国教育科技部“绿色精英奖（Green Talent）”和国家留学基金委“国家优秀自费留学生奖学金”等。在Nature、Nat. Energy（4篇）、Science、Joule等学术期刊发表论文140多篇，总引用14000余次，h因子61。2022年入选科睿唯安“高被引科学家”和爱思唯尔高被引学者。主持国家重点研发计划课题、国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”项目、国家自然科学基金面上项目、四川省杰出青年科技人才项目等。2022年指导学生团队荣获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛金奖。团队关注钙钛矿材料合成生长及其在太阳能电池等光电器件中的应用，立足探索材料的独特特性和器件物理的深层工作机理，开发高效稳定器件。团队一直致力于研究高性能全钙钛矿叠层太阳能电池光伏材料与器件机理相关的基础科学与关键技术问题，多次实现宽、窄带隙钙钛矿和全钙钛矿叠层电池性能突破，实现了1-cm²全钙钛矿叠层太阳电池的世界纪录效率，并多次被业界权威的“Solar cell efficiency tables”和“太阳电池中国最高效率”收录。

Web: https://www.x-mol.com/groups/zhao_dewei

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球55个国家；已被136个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，37位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI等数据库收录。2022年影响因子为32.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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