NREL童金辉/朱凯等最新Nature Energy

▲第一作者：童金辉, Qi Jiang

通讯作者：童金辉, 朱凯

通讯单位：美国国家可再生能源实验室（NREL）

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-022-01046-1

01
背景介绍

全钙钛矿串联太阳能电池在保持金属卤化物钙钛矿太阳能电池低成本、重量轻等优点的同时，有望实现功率转换效率高于单结电池详细平衡极限的光伏发电。但是，全钙钛矿串联电池的效率和稳定性受到Sn-Pb基窄带隙钙钛矿电池的限制。

02
本文亮点

1. 本工作表明，基于混合大体积有机阳离子苯乙胺(PEA⁺)和胍(GA⁺)的添加剂形成的准二维(准2D)结构(PEA)₂GAPb₂I₇为大幅度提高窄带隙(1.25 eV) Sn-Pb钙钛矿薄膜的结构和光电性能提供了临界缺陷控制。

2. 这种二维增材工程产生了具有低暗载流子密度(~1.3 × 10¹⁴ cm^-3)、长体载流子寿命(~9.2 μs)和低表面复合速度(~1.4 cm s^-1)的Sn-Pb基吸收体。

3. 本工作获得了22.1%的单结Sn-Pb钙钛矿电池和25.5%的全钙钛矿双端串联结构，具有高的光电压和长的工作稳定性。

03
图文解析

▲图1. 电荷载体动力学

要点：

1、本工作进行了一组时间分辨光致发光(TRPL)测量，考察了(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4钙钛矿薄膜中电荷复合动力学在玻璃基片上采用2% PEAI和7% GASCN的组合相对于前驱体中MA⁺的量。图1a显示了TRPL在不同激发强度(注入水平)下的衰减。

2、图1b为注入固定在约6×10¹⁴ cm^-3  脉冲处的200~800 nm不同厚度钙钛矿薄膜的TRPL衰减(归一化到峰值强度)。随着膜厚的减小，TRPL衰减变快，说明表面复合对载流子复合有不可忽略的影响。

3、对于800nm厚的吸收体层，S的低值对应着约30 μs的表面复合的“寿命”，这表明对于本研究中的Sn-Pb钙钛矿，电荷复合主要由体中的复合过程决定。这源于本工作的添加剂方法，它使得钙钛矿表面具有很好的低表面复合速度。

▲图2. 光电和形貌比较

要点：

1、本研究表明，当采用PEAI和GASCN组合时，暗载流子密度显著降低两个数量级以上，达到~1.3×10¹⁴ cm^-3 (图 2a)。

2、本研究发现，载流子寿命随暗载流子密度的减小而增大(图2b)。由于暗载流子密度可以通过数量级调节，所以本研究中辐射和缺陷介导的复合的相对重要性发生变化。

3、XPS结果表明，PEAI与GASCN的结合实现了最强的有益影响，这与对应Sn-Pb钙钛矿中较低的表面复合速度(~1.4 cm s^-1)和最大的暗载流子密度降低相一致。

▲图3. X射线衍射表征

要点：

1、图3a显示了在低衍射角区域观察到的系统变化的衍射图谱随GA⁺/PEA⁺混合比从0∶1 (PEA₂PbI₄)到1∶0 (GA₂PbI₄)的演化。随着GA⁺/PEA⁺比值的增大，PEA₂PbI₄的主衍射峰(约5.4°和10.8°)减小，而GA₂PbI₄的主衍射峰(约13.8°)增大。因此，在钙钛矿薄膜中可能存在n=2种不同Sn-Pb组合的二维结构。

2、纯二维结构(通常称n=1)常被用来通过钝化其表面和/或晶界来改善三维钙钛矿。这样的2D结构不仅可以钝化表面缺陷，还可以通过抑制Sn的外扩散和氧的进入来抑制Sn²⁺的氧化，导致Sn-Pb钙钛矿的电子性能得到改善。

3、本工作还发现，与PEA₂PbI₄相比，PEA₂GAPb₂I₇的面外电荷输运增强，而GA₂PbI₄的面外电荷输运太低，无法测量。与n=1PEA₂PbI₄和GA₂PbI₄相比，n=2PEA₂GAPb₂I₇中更长的载流子寿命和更快的面外电荷输运对于在3D-2D界面上尽量减少电荷复合和增强电荷提取至关重要，进而可以改善Sn-Pb钙钛矿薄膜的光电性能。

▲图4. 单结Sn-Pb窄带隙PSC

▲图5. 单片全钙钛矿串联太阳能电池

要点：

1、这些高质量的Sn-Pb钙钛矿薄膜使得本工作可以制备高效稳定的Sn-Pb基PSCs。图4a所示为冠军Sn-Pb PSC在反向电压扫描和正向电压扫描之间具有可忽略迟滞的J-V曲线。

2、图4b显示了Sn-Pb窄禁带PSCs的PV参数统计。窄带隙PSC也表现出较好的器件稳定性，在N₂中连续模拟太阳光照射1830 h时，保持了82%以上的最大效率。这种良好的长期稳定性和Sn-Pb窄带隙PSCs的高V_oc值证明了降低Sn-Pb钙钛矿中暗载流子密度和提高载流子寿命的好处。

3、图5d显示了宽禁带和窄禁带子电池的EQE值。这些值也与J-V测量确定的J_sc吻合较好。图5e显示，2-T串联电池在1500 h后仍保持80%的最大效率。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-022-01046-1

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