由于具有良好的光電性質(zhì)，可調(diào)控的帶隙和易于制備等優(yōu)點(diǎn)，鈣鈦礦是理想的多結(jié)光伏吸光材料。然而，光誘導(dǎo)的相分離限制了它們的效率和穩(wěn)定性。寬帶隙（> 1.65 eV）的I/Br混合的鈣鈦礦吸光材料面臨著光誘使相分離(LIPS)的問題，這嚴(yán)重限制了多結(jié)光伏器件的穩(wěn)定性和效率。
近日，多倫多大學(xué)Edward Sargent教授課題組 報(bào)道了I/Br混合鈣鈦礦中的晶格畸變與相分離的抑制相關(guān)，由于A位陽離子和碘化物之間的平均原子間距離減小，產(chǎn)生了增加的離子遷移能壘。使用頂部子電池 值得注意的是，該篇論文的第一作者是四位來自中國的留學(xué)生王在偉（博士后），曾樂蔚（博士），祝桐（博士后）和陳昊（博士后）。 從左到右，依次為王在偉（博士后），曾樂蔚（博士），祝桐（博士后）和陳昊（博士后） 同時(shí)，該項(xiàng)工作的參與也包括 洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院染料敏化太陽能電池之父Michael Gr?tzel 、阿卜杜拉國王科技大學(xué)Stefaan De Wolf教授 和北卡羅來納大學(xué)黃勁松教授，可謂陣容豪華！ 圖1. Rb/Cs混合陽離子無機(jī)鈣鈦礦的性質(zhì) 作者利用紫外-可見吸收光譜，XRD以及固態(tài)核磁，證實(shí)了Rb能夠摻雜進(jìn)入I/Br混合的Cs基無機(jī)鈣鈦礦晶格中，且Rb的摻雜導(dǎo)致了帶隙的增大。隨著Br含量的增加，達(dá)到最大電壓值的Rb含量也增加。在2.0 eV及以下帶隙的器件中，2.0 eV Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 展現(xiàn)出最好的電壓值，因此，Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 被選為目標(biāo)研究對(duì)象。 亥姆霍茲自由能的計(jì)算展示隨著 Br 含量的增加，Rb/Cs 混合陽離子鈣鈦礦具有更深的亥姆霍茲自由能（更大的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力），因此，無機(jī)鈣鈦礦中 Rb 摻雜含量的上限與 Br 含量正相關(guān)，這與摻Rb時(shí)富Br鈣鈦礦熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力較大有關(guān)。 圖2. 抑制光誘使相分離的現(xiàn)象和機(jī)制 作者比較了~2.0 eV CsPbI1.4 Br1.6 和Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 設(shè)備的性能。對(duì)于2.0 eV ?CsPbI1.4 Br1.6 的器件，PCE為12.59%，VOC 為1.288 V（圖3a）。而Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 器件的PCE增加到13.41%，VOC 為1.312 V。它們穩(wěn)定功率輸出（SPO）效率分別為12.1%和13.3%（圖3b）。對(duì)54個(gè)器件的光伏參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)高性能Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 器件的重現(xiàn)性（圖3c）。 此外，Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 樣品與CsPbI1.4 Br1.6 鈣鈦礦（1.318 ± 0.054 eV）相比，高費(fèi)米能級(jí)分裂QFLS（1.417 ± 0.004 eV）的空間分布較窄（圖3d），這表明非輻射重組減少。在~2.0 eV帶隙下，相對(duì)于Cs基全無機(jī)鈣鈦礦，Rb/Cs全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出更高的器件效率和更好的重復(fù)性。 圖4. 全鈣鈦礦三結(jié)太陽能電池的光伏性能和穩(wěn)定性 作者使用~2.0 eV Rb/Cs混合陽離子無機(jī)鈣鈦礦作為全鈣鈦礦三結(jié)太陽能電池（TJSC）的頂部子電池的吸收體。TJSC的器件結(jié)構(gòu)為ITO玻璃/NiOx /Me-4PACz/2.0 eV無機(jī)鈣鈦礦（170 nm）/PEAI-EDAI2 /PCBM/PEIE/SnOx /ITO/NiOx /Me-4PACz/1.6 eV鈣鈦礦（780 nm）/PEAI-EDAI2 /PCBM/PCBM/PEIE/SnOx /Au/PEDOT：PSS/1.22 eV SnPb鈣鈦礦（870 nm）/C60/SnOx /Ag（圖4a）。 圖4b為冠軍全鈣鈦礦TJSC的J-V曲線。反向掃描的PCE為24.33%，VOC 為3.215 V，短路電流（JSC ）為9.71 mA/cm2 ，填充因子（FF）為77.93%。作者在獨(dú)立的PV校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室（NREL）中獲得了23.29%的認(rèn)證PCE（圖4c），據(jù)作者所知，這是第一個(gè)報(bào)告的全鈣鈦礦三結(jié)太陽能電池的認(rèn)證PCE。通過新鈣鈦礦的鈍化策略、改善界面接觸和光管理的優(yōu)化，全鈣鈦礦TJSCs的效率將進(jìn)一步提高。 作者還監(jiān)測(cè)了封裝的TJSC在最大功率點(diǎn)跟蹤條件下，以及在環(huán)境大氣下連續(xù)AM 1.5G的單太陽照明下的性能（圖4e）。基于Rb/Cs混合陽離子鈣鈦礦的優(yōu)化器件在連續(xù)運(yùn)行420小時(shí)后保留了其初始PCE的80%。
綜上，這項(xiàng)工作中，全鈣鈦礦三結(jié)太陽能電池實(shí)現(xiàn)了24.3%的效率，在NREL認(rèn)證出23.3%的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)效率。這是鈣鈦礦基三結(jié)太陽能電池第一個(gè)被報(bào)道的認(rèn)證效率。該工作為設(shè)計(jì)高效的全鈣鈦礦太陽能電池提供了新的思路。
Wang, Z., Zeng, L., Zhu, T. et al. Suppressed phase segregation for triple-junction perovskite solar cells. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06006-7
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