黄劲松组今日Nat. Energy：24.6%！结构简化的全钙钛矿串联太阳能电池

近年来，全钙钛矿串联太阳能电池的效率正在迅速提高。然而，通常具有通过不同工艺沉积的四层或更多层的互连层（ICL）的复杂结构限制了它们的应用前景。这是由于在串联器件中，ICL控制了子电池的电荷收集和重组，对于串联太阳能电池的性能至关重要。通常对于串联太阳能电池来说，ITO，IZO或金的寄生吸收导致J_sc的损失，溅射工艺会损坏下面的功能层，从而降低了器件的填充系数。此外， PEDOT：PSS限制了钙钛矿太阳能电池的稳定性。

为此，北卡罗来纳大学教堂山分校的黄劲松教授报道了仅由富勒烯层和SnO_2-x层组成全钙钛矿串联电池的ICL。C₆₀被钙钛矿中的I离子进行了无意的n型掺杂，因此表现出高效的电子收集能力。由于锡的不完全氧化而形成的SnO_2–x（x = 1.76）层由于存在高密度的Sn²⁺而具有双极性载流子传输性质。C₆₀/SnO_1.76 ICL与具有低接触电阻率的宽禁带和窄禁带钙钛矿子电池形成欧姆接触。ICL将小面积串联电池（5.9 mm²）和大面积串联电池（1.15 cm²）的效率分别提高到24.4％和22.2％。连续照射1小时后，串联电池仍保持其初始效率的94％。

C₆₀/SnO_2−x ICL的设计

与传统的四层ICL结构相比，该研究的结构只有两层，即C₆₀和SnO_2–x（图1a）。全钙钛矿整体串联太阳能电池的结构结合了WBG钙钛矿（1.78 eV）和NBG钙钛矿（1.21 eV）。串联器件的截面SEM图像表明了完整的多层结构，厚约10 nm 的SnO_2-x层可有效保护下面的WBG钙钛矿层不受随后NBG钙钛矿层和后续层旋涂的损害（图1b）。如图1c中的J-V曲线所示，发现没有ITO或PEDOT：PSS HTL的堆叠器件仍然可以像串联太阳能电池一样正常工作。在优化之前，具有C₆₀/SnO_1.76作为ICL的器件的V_OC为1.88 V，J_SC为14.6 mA cm^-2，填充系数为78.4％，PCE为21.5％。

图1：全钙钛矿串联太阳能电池的C₆₀/SnO_2-x结构化ICL 设计。

低温（LT）ALD SnO_1.76的双极性载流子传输性质

该研究发现LT-ALD SnO_1.76可以从NBG子电池中提取和传导空穴，从而实现C₆₀/SnO_1.76的互连功能。作者将单结NBG钙钛矿器件与PEDOT：PSS和LT-ALD SnO_1.76作为HTL进行了比较，其器件结构如图2a所示。带有LT-ALD SnO_1.76或PEDOT：PSS作为HTL的器件具有几乎相同的光电流（图2b），这证实了LT-ALD SnO_1.76是用于钙钛矿太阳能电池的HTL。因此，LT-ALD SnO_1.76确实与NBG钙钛矿层形成了出色的欧姆接触。如图2c所示，LT-ALD SnO_1.76在单结WBG电池中可以很好地工作。如图2d所示，在C₆₀层和Cu电极之间插入SnO_1.76不会损害器件性能，这表明SnO_1.76具有双极性的载流子传输特性。另外，作者在场效应晶体管（FET）系统地验证SnO_1.76的双极性载流子传输能力（图2e-g）。

图2：LT-ALD SnO_1.76的双极性特性。

为了了解SnO_1.76如何从NBG钙钛矿层中提取空穴并进行空穴传导，作者研究了SnO_1.76的电子性质和ICL的能量结构。XPS和拉曼测试都证实SnO_1.76中存在大量的Sn²⁺（图3a–c）。如图3d所示，原始的LT-ALD SnO_1.76在近红外区域显示弱但明显的吸收，且截止边缘在〜0.80 eV。在300°C下将LT-ALD SnO_1.76退火2 h 后，在0.80 eV和1.40 eV之间LT-ALD SnO_1.76的吸收会大大减弱。退火前后吸收光谱的差异说明了由Sn²⁺贡献的独特吸收带。它在低于LT-ALD SnO_1.76的CBM〜0.80 eV处构成一个中间带隙。能级图显示，来自NBG钙钛矿薄膜的空穴通过中间能级态（红线）注入到SnO_1.76中，然后通过掺杂的C₆₀层与从WBG钙钛矿薄膜中提取的电子复合（图3e）。

图3：LT-ALD SnO_1.76的光学和电学性质以及C₆₀/SnO_1.76 ICL的能级图。

全钙钛矿串联电池的光伏性能

性能最佳的WBG，NBG和串联太阳能电池的J–V曲线如图图4a所示，WBG器件的V_OC为1.23 V，J_SC为16.5 mA cm^-2，填充系数为78.9％，PCE为16.0％；NBG器件V_OC为0.83 V，J_SC为30.5 mA cm^-2，79.8％的填充因子，和20.2％的PCE。通过一系列优化，串联太阳能电池实现了24.6％的高PCE ，2.03 V的V_OC，15.2 mA cm^-2的J_SC，填充率为79.7％。该V_OC接近由两个子电池的总和。串联器件可提供24.4％的稳定PCE（图4b）。对于WBG和NBG子电池，两个子电池的EQE光谱给出的积分J_SC为15.2 mA cm^-2（图4c）。如图4d，对于1.15 cm ²的大面积串联太阳能电池，实现了22.2％的高PCE，2.01 V的V_OC，15.1 mA cm ^-2的J_SC和73.2％的填充系数。此外，封装后的串联太阳能电池经过约1000小时光照后，约有94％的初始PCE（图4e），用LT-ALD SnO_1.76代替PEDOT：PSS 会在单结NBG器件中产生更大的稳定性（图4f）。

图4：具有C₆₀/SnO_1.76 ICL 的全钙钛矿串联太阳能电池的光伏性能。

参考文献：

Yu, Z., Yang, Z., Ni, Z. et al. Simplified interconnection structure based on C₆₀/SnO_2-x for all-perovskite tandem solar cells. Nat Energy (2020). doi: 10.1038/s41560-020-0657-y