研究成就與看點
本研究成功開發了一種名為「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL) 的新型界面層，應用于廣帶隙 (WBG) 鈣鈦礦太陽能電池 (PSC)，有效提升了組件性能，特別是在平方公分規模的電池上。
TTDL由 F-PEA 和 CF3-PA 混合而成，其中 F-PEA 形成二維鈣鈦礦，降低接觸損耗并提升均勻性，而 CF3-PA 則增強電荷提取和傳輸。
藉由 TTDL 的引入，研究團隊實現了 1.77-eV WBG PSC 在平方公分規模下高達 1.35 V 的開路電壓和 20.5% 的效率。
將此 WBG PSC 與窄帶隙 (NBG) 鈣鈦礦子電池堆棧，研究團隊制造出 1.05 平方公分的全鈣鈦礦串聯電池，效率高達 28.5%（認證效率為 28.2%），創下目前所有報導中的最高紀錄。
本研究突出了處理頂部鈣鈦礦/電子傳輸層 (ETL) 接觸面對于提升鈣鈦礦太陽能電池規模化的重要性。
研究團隊
作者:這篇關于全鈣鈦礦串聯太陽能電池的文章是由一個大型國際研究團隊共同撰寫的，主要通訊作者包括：
譚海仁 (Hairen Tan)：來自中國南京大學
Samuel D. Stranks：來自英國劍橋大學
Lijun Zhang：來自中國吉林大學
第二部分：研究背景
近年來，窄帶隙和寬帶隙（分別簡稱NBG和WBG）鈣鈦礦材料的進展促進了串聯器件的發展，包括小面積（約0.1 cm2有效面積）的全鈣鈦礦串聯太陽能電池，其最佳認證功率轉換效率（PCE）超過28%。1 然而，有效面積≥1 cm2的全鈣鈦礦串聯器件的認證PCE僅為26.4%。 WBG鈣鈦礦太陽能電池仍有很大的改進空間，特別是對于大面積器件。
第三部分：解決方案與實驗過程
解決方案
本研究發現 C60 的沉積不僅會在界面處引入高密度的缺陷，還會導致鈣鈦礦表面靜電勢不均勻，從而導致器件性能不均勻。為了解決這個問題，研究團隊提出了一種創新的方法，即在界面處引入 F-PEA 和 CF3-PA 的混合物，形成「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL)。
F-PEA 會在表面形成二維鈣鈦礦，減少接觸損耗并提高均勻性。
CF3-PA 則增強電荷提取和傳輸。
實驗過程與步驟
材料制備:
本研究中使用的所有材料均為市售產品，未經進一步純化。
研究人員根據文獻中提供的配方，制備了廣帶隙 (WBG) 和窄帶隙 (NBG) 鈣鈦礦前驅體溶液。
F-PEACl 和 CF3-PACl 分子分別溶解于異丙醇 (IPA) 中，制備成濃縮溶液，再用 IPA 稀釋至所需濃度。
EDAI2 分子也溶解于 IPA 中，制備成所需濃度的溶液。
2. 組件制備:
在 ITO 玻璃基板上依次沉積 NiOx、SAM 和鈣鈦礦層。
鈣鈦礦層采用兩步旋涂法沉積，并使用茴香醚作為反溶劑。
將插入層溶液滴加到沉積的鈣鈦礦薄膜上，旋涂后進行退火處理。
然后通過熱蒸發依次沉積 C60、SnO2 和 Cu，形成 WBG PSC。
對于串聯電池，先制備 WBG 子電池，然后在 WBG 子電池上通過熱蒸發沉積 Au 簇層、旋涂 PEDOT: PSS 層，再沉積 NBG 鈣鈦礦層。
最后通過熱蒸發沉積 C60 和 Au，形成完整的串聯電池。
3. 制備過程中發現:
使用茴香醚作為反溶劑，可以改善 WBG 鈣鈦礦薄膜的結晶度和均勻性。
引入 CF3-PA 會破壞二維鈣鈦礦的生長。
F-PEA 和 CF3-PA 陽離子會優先聚集在鈣鈦礦薄膜的表面。
第四部分：研究成果表征
本研究采用了多種表征手段來分析 TTDL 的形成機制和功能，以及 TTDL 對 WBG PSC 和全鈣鈦礦串聯電池性能的影響。
l 太陽能電池的J-V特性測量: 文獻中提到，使用光焱科技的太陽光模擬器在 100 mW cm-2 的光強度下測量單結和串聯太陽能電池的電流密度-電壓 (J-V) 特性。
圖 3b:展示了 1.05 cm2 控制組、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太陽能電池的 J-V 曲線。從圖中可以清楚地看到 TTDL 器件在開路電壓 (VOC) 和填充因子 (FF) 上的提升。
圖 3d: 展示了 TTDL WBG 太陽能電池 (有效面積 1.05 cm2) 的 J-V 曲線，并標示了正向和反向掃描的結果。
l 圖 4b: 展示了 26 個最佳性能串聯器件的 J-V 曲線，并包含正向和反向掃描的結果，顯示器件幾乎沒有遲滯現象。
· 光致發光 (PL)：
團隊利用 PL來研究 WBG 鈣鈦礦薄膜的均勻性和 C60 沉積對薄膜表面的影響。通過比較沉積 C60 前后薄膜的 PL 強度分布，作者發現 C60 的沉積會導致薄膜表面缺陷密度的增加和靜電勢的不均勻分布，進而影響器件性能的均勻性。
圖 1a: 展示了沉積 C60 前后，玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦薄膜的 PL 顯微鏡圖像和直方圖。從圖中可以清楚地看到，沉積 C60 后，PL 強度下降，且 PL 強度分布的標準偏差 (σ) 增加，表明 C60 的沉積導致了薄膜表面缺陷密度的增加和靜電勢的不均勻分布。
圖 1b: 展示了不同插入層對玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦/插入層/C60 薄膜堆棧結構的 PL 映像圖像的影響。通過比較不同插入層的 PL 圖像，可以直觀地觀察到 TTDL 處理后的薄膜具有最高的 PL 強度和最佳的均勻性。
圖 1e: 展示了沉積 C60 前后，玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦/TTDL 薄膜的 PL 顯微鏡圖像和直方圖。與圖 1a 的結果相比，使用 TTDL 后，沉積 C60 后的 PL 強度分布標準偏差 (σ) 幾乎沒有變化，表明 TTDL 能有效抑制 C60 沉積對薄膜均勻性的影響。
補充圖 7 和 8: 提供了更多不同區域的 PL 顯微鏡圖像和直方圖，進一步左證了 C60 沉積對薄膜均勻性的影響，以及 TTDL 在抑制這種影響方面的效果。
EL-EQE: 本研究使用 EL-EQE 系統測量了 WBG 和 NBG 單結器件以及串聯器件中子電池的 EL-EQE，并計算出相應的 QFLSEL。
JSC、EQE 的分析
圖 1c 展示了具有不同插入層的 1.05 平方公分 WBG PSC 的 EQE 光譜。TTDL 鈣鈦礦表現出最高的 JSC (18.4 mA/cm2)。
圖 3a 比較了在相同批次中制備的控制組、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太陽能電池（1.05 平方公分，每種類型 15 個器件）的光伏性能。TTDL 器件的平均 PCE 為 18.8 ± 0.7%，平均 Voc 為 1.33 V。
圖 3b 展示了最佳 1.05 平方公分控制組、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太陽能電池的 J-V 曲線。
圖 3d 和 3e 分別展示了最佳 TTDL WBG 太陽能電池（有效面積 1.05 平方公分）的 J-V 曲線和 EQE 光譜。最佳 TTDL 器件在反向掃描下表現出 20.4% 的 PCE (Voc = 1.35 V，Jsc = 18.4 mA/cm2，FF = 82.1%)。EQE 光譜的積分 JSC 值為 18.6 mA/cm2，與 J-V 特性吻合良好。
表 1 列出了最佳鈣鈦礦太陽能電池（有效面積 1.05 平方公分）的光伏參數。
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其他表征
掠入射廣角X射線散射 (GIWAXS): 圖 2a 展示了控制組、F-PEA 和 TTDL 鈣鈦礦薄膜的 GIWAXS 圖譜。結果顯示，與 F-PEA 薄膜相比，TTDL 薄膜中二維鈣鈦礦的衍射峰減弱，表明 CF3-PA 的引入會破壞二維鈣鈦礦的生長。
X射線光電子能譜 (XPS): 研究人員利用 XPS 分析了處理過的鈣鈦礦表面。在 686.6 eV 和 687.4eV 處的 F1S 信號分別表明 F-PEA 和 CF3-PA 存在于鈣鈦礦樣品中。
深度剖析掃描電子顯微鏡 (SEM): 圖 4a 展示了全鈣鈦礦串聯太陽能電池的橫截面 SEM 圖像。
光譜密度泛函理論 (DFT) 計算: 研究人員進行了第一性原理計算，以研究 CF3-PA 對 F-PEA 基二維鈣鈦礦結構和電子特性的影響。他們發現 CF3-PA 的引入會導致二維鈣鈦礦中 CBM 向下移動。此外，計算出的缺陷形成能表明，基于 F-PEA 的二維鈣鈦礦在抑制界面缺陷形成方面發揮著重要作用。
圖 2e 展示了計算得到的 F-PEA 基二維鈣鈦礦和 TTDL 部分區域中可能的分子排列的電子波函數分布，即在 CBM 以上 0.3 eV 能量范圍內積分的局部電荷密度。
圖 2f 和 2g 分別顯示了具有不同點缺陷的 3D 鈣鈦礦/C60 和 2D 鈣鈦礦/C60 界面的計算態密度 (DOS) 和 C60 的吸附能。
第五部分：研究成果
本研究成功開發了一種名為「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL) 的新型界面層，應用于廣帶隙 (WBG) 鈣鈦礦太陽能電池 (PSC)，有效提升了組件性能，特別是在平方公分規模的電池上 。通過在 WBG 鈣鈦礦和 C60 電子傳輸層之間引入 TTDL，研究團隊成功地解決了 C60 沉積導致的界面缺陷和靜電勢不均勻問題，從而顯著提高了 WBG PSC 的效率和均勻性。
TTDL 的主要研究成果如下：
顯著提高了 WBG PSC 的性能: 藉由 TTDL 的引入，1.77-eV WBG PSC 在平方公分規模下實現了 1.35 V 的高開路電壓和 20.5% 的效率。與未經處理的控制組器件相比，TTDL 器件的平均 PCE 提高了 1.7%，平均 Voc 提高了 40 mV 。
提升了 WBG PSC 的均勻性: TTDL 中的 F-PEA 可以形成二維鈣鈦礦，有效地鈍化了鈣鈦礦/C60 界面，減少了缺陷密度，并改善了界面處的靜電勢分布。 PL 顯微鏡圖像顯示，TTDL 器件的 PL 強度分布更加均勻，標準偏差從控制組樣品的 5.2% 降低到 3.4%。
增強了電荷提取和傳輸: TTDL 中的 CF3-PA 可以降低二維鈣鈦礦的導帶最小值 (CBM)，改善了鈣鈦礦和 C60 之間的能級匹配，從而增強了電荷提取和傳輸。 瞬態光致發光 (TRPL) 研究表明，與控制組器件相比，TTDL 器件的載流子壽命更長，表明界面電荷復合得到了抑制。
實現了高效的全鈣鈦礦串聯太陽能電池: 將 TTDL WBG PSC 與 1.25-eV NBG PSC 堆棧，研究團隊制造出 1.05 平方公分的全鈣鈦礦串聯電池，效率高達 28.5%（認證效率為 28.2%），創下目前所有報導中的最高紀錄。
本研究的主要貢獻在于開發了一種簡單有效的界面工程策略，可以顯著提高 WBG PSC 的性能和均勻性，為大規模制造高效穩定的全鈣鈦礦串聯太陽能電池提供了新的思路。
文獻參考自NATURE_DOI: 10.1038/s41586-024-08158-6
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