【灵魂五问法读顶刊】NM：突破效率极限，引领光伏新未来！- 大数跨境

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【灵魂五问法读顶刊】NM：突破效率极限，引领光伏新未来！

科技写作沙龙

2025-01-13

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02073-x

灵魂1问：

全钙钛矿串联太阳能电池是一种有望突破单结太阳能电池效率极限的有前景的方法。然而，宽带隙钙钛矿亚电池存在较大的开路电压损失，阻碍了其功率转换效率的进一步提升。

灵魂2问：前人如何解决上述问题？未解决的本质

前人尝试通过界面工程和优化电荷传输材料来减少界面能量损失，从而提高宽带隙钙钛矿太阳能电池的效率，但未能有效解决宽带隙钙钛矿薄膜中固有的非辐射复合问题。尽管采用分子添加剂（如离子液体和铵配体）显示出一定潜力，但宽带隙钙钛矿太阳能电池中与纯钙钛矿相关的开路电压损失依然存在，通常超过120毫伏，远高于约1.5电子伏特带隙的钙钛矿太阳能电池。

未解决的本质是缺乏有效控制宽带隙钙钛矿薄膜晶体取向的方法，以增强其光电性能。理论和实验研究表明，具有优先（100）取向的立方钙钛矿晶体比主要（110）或（111）取向的晶体具有更优越的载流子迁移率和更少的陷阱密度，但金属卤化物钙钛矿的离子特性和快速结晶往往导致薄膜中晶体域随机取向。

灵魂3问：本文创新思路

本文提出了一种通过表面组成工程操纵二维模板的形成，实现宽带隙钙钛矿薄膜改善（100）取向的新思路（此处注意：本文的创新思路正好解决的第2问中提出的问题，这是一个挖坑-填坑的过程）。具体是将甲脒碘化物（MAI）和苯乙胺碘化物（PEAI）以1:2的重量比作为混合溶液处理添加剂（M-SPA），在溶液处理过程中引入二维钙钛矿相，促进异质成核，增强（100）取向晶体的垂直堆叠，从而抑制宽带隙钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合。

灵魂4问：新思路的难点是什么

难点在于如何在不引入过多绝缘性铵配体的情况下，有效形成二维模板，以实现宽带隙钙钛矿薄膜的（100）取向控制，同时保持良好的载流子传输性能。因为二维钙钛矿相的形成需要精确控制添加剂的用量和分布，过多的添加剂会阻碍载流子传输，而不足则无法有效改善晶体取向。

灵魂5问：作者是如何应对新难点的

作者通过在反溶剂中引入MAI和PEAI的混合物，创造出局部MA富集的环境，从而增加二维模板的存在。在未退火的M-SPA薄膜的XRD图样中，识别出了n=1的层状钙钛矿，且其2D/3D的PL峰强度比是SPA对应物的3.2倍，表明二维模板数量增加。最终，与对照组相比，M-SPA方法使退火薄膜的I（100）/（110）比值增加了52倍，且这种增强是在没有添加更多绝缘铵配体的情况下实现的，二维相在最终薄膜中也消失了。

突破性成果（性能展示）

作者采用M-SPA方法制备的宽带隙钙钛矿太阳能电池，实现了1.373伏的开路电压和21.1%的光电转换效率，其中开路电压的提高主要归因于减少了体相复合而非界面复合。此外，M-SPA方法还减少了非辐射和传输损耗，提高了填充因子。对于全钙钛矿串联太阳能电池，基于M-SPA的串联器件平均光电转换效率从对照组的27.5%提高到28.5%，主要是由于开路电压从2.12伏提高到2.18伏，最高开路电压达到约2.22伏，填充因子达到83.5%，这些指标都是全钙钛矿串联太阳能电池中报道的最佳结果之一。最终，一个串联电池获得了29.7%的光电转换效率，经日本电气安全与环境技术实验室（JET）认证，稳态光电转换效率为29.1%。