《Nature》正刊封面！钙钛矿太阳能电池

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金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)，是一种新兴的光伏技术，有可能颠覆成熟的硅太阳能电池市场。在过去的几年中，由于制造规程、化学成分和相位稳定方法的发展，器件性能有了很大的改善，使PSCs成为最高效和低成本的可处理解决方案光伏技术之一。然而，这些器件的光收集性能，仍然受到过多载流子复合的限制。尽管付出了很多努力，但性能最好的PSCs的性能，还是受到了相对较低的填充因子和较高的开路电压缺陷的限制。电荷载流子管理的改进与填充因子和开路电压密切相关，从而为提高PSCs的器件性能，并达到其理论效率极限，提供了一条途径。

近日，来自美国麻省理工学院的Moungi G. Bawendi& 韩国化学技术研究所的Seong Sik Shin和JangwonSeo等研究者，报告了一种通过增强电荷载流子管理，来提高PSCs性能的完整方法。相关论文以题为“Efficient perovskite solar cells via improved carrier management”发表在Nature上。与此同时，该论文登上了当期封面。

基于SnO₂的电子传递层(ETLs)提供了良好的带对齐，同时可在低温下处理。在各种沉积方法中，以纳米SnO₂为基础的ETLs，表现出了最好的性能。然而，基于纳米SnO₂的PSCs，表现出较低的电致发光外量子效率(EQE)值，因此，与基于TiO₂的PSCs相比，尽管努力消除了非辐射复合途径，但开路电压(V_OC)缺陷(定义为辐射V_OC限值减去高V_OC)更高。光电器件的电致发光系数，是通过测量正向偏压下的发光效率来确定的，它直接测量载流子复合的辐射效率。电致发光EQE可以通过互易定理，来量化对V_OC亏缺的非辐射贡献，是太阳能电池表征的有用度量。

因此，开发最小化ETL/钙钛矿界面上的光电压损失，从而最小化V_OC亏损的策略至关重要，这鼓励研究者寻找一种不同的沉积方法，来开发SnO₂ ETLs的全部潜力。通过没有针孔的完整和保形覆盖，理想的带对齐可以有效地提取电子，同时阻塞空穴的回转移，低缺陷密度来防止有害的界面重组，并将足够薄来促进有效的电荷提取，从而获得具有较高的光电电压和填充系数理想的SnO₂ ETL。

在此，研究者首先报告了一种简单的方法，通过化学镀液沉积来化学调整SnO₂ ETL的物理和电子性能。化学镀液沉积通过沉积致密的共形层，使底层衬底得到均匀和完全的覆盖。然而，由于对氧化锡化学浴沉积过程中复杂的化学反应缺乏了解，阻碍了高效PSCs的制备。

首先，研究者通过调节化学镀液沉积的二氧化锡(SnO₂)，得到了一个理想的薄膜覆盖、厚度和组成的电子传递层。其次，研究者将块和接口之间的钝化策略解耦，从而改善性能，同时最小化带隙损失。在正向偏压中，器件表现出高达17.2%的电致发光外量子效率，和高达21.6%的电致发光能量转换效率。作为太阳能电池，它们获得25.2%的经认证的能量转换效率，相当于其带隙热力学极限的80.5%。（文：水生）

图1 FTO表面氧化锡膜的合成与表征。

图2 基于不同SnO₂ ETLs的PSCs太阳能电池性能研究。

图3 MAPbBr₃添加量不同的钙钛矿薄膜的表征。

图4 0.8 mol% MAPbBr₃的PSCs器件结果最佳。

原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03285-w

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