通常而言，高效的鈣鈦礦太陽能電池通常是基于n-i-p和p-i-n兩種器件結(jié)構(gòu)，但目前報告的最高光電轉(zhuǎn)換效率是基于n-i-p結(jié)構(gòu)的PSCs。但事實上，倒置p-i-n結(jié)構(gòu)其制備工藝更加簡單，能夠用于疊層器件的制備等優(yōu)點，具有更好的工業(yè)化應(yīng)用潛力。然而p-i-n結(jié)構(gòu)器件目前PCE還相對較低。

在此，美國托萊多大學鄢炎發(fā)教授和中國科學技術(shù)大學徐集賢教授分別從不同的方面闡述了提高p-i-n結(jié)構(gòu)的PCE，且同時創(chuàng)造了最高記錄。

一、美國托萊多大學鄢炎發(fā)教授Science

已知在界面和晶界（GBs）處結(jié)合不配位鉛原子的路易斯堿基分子，可增強金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的耐久性。

基于密度泛函理論計算，美國托萊多大學鄢炎發(fā)教授發(fā)現(xiàn)在路易斯堿基分子庫中，含膦分子具有最強的結(jié)合能。

通過實驗，發(fā)現(xiàn)用1,3-雙(二苯基膦)丙烷（DPPP）處理的倒置PSC具有最佳性能，DPPP是一種二膦路易斯堿，可鈍化，結(jié)合和橋接界面和GBs，在模擬AM1.5照明下連續(xù)運行后，且在最大功率點和~40℃下連續(xù)運行超過3500小時后，保持的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）略高于其23%的初始PCE。

同時，DPPP處理的器件在85℃開路條件下保持超過1500小時后，PCE也顯示出類似的增加。值得注意的是，DPPP處理后的倒置（p-i-n）電池顯示出24.5%的最佳PCE。

相關(guān)論文以“Rational design of Lewis base molecules for stable and efficient inverted perovskite solar cells”為題發(fā)表在Science。

鑒于其高功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs），金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）提供了一種降低太陽能電力成本的途徑。

然而，耐久性仍然是通往技術(shù)相關(guān)性道路上的主要障礙。在85°C的黑暗中，85%相對濕度（RH）的濕熱測試是晶體硅（Si）和薄膜光伏（PV）的測試標準，已被用于加速PSC的耐久性測試。

PSCs在光激發(fā)條件下下也可能表現(xiàn)出降解，特別是在開路（OC）條件下，這比標準化硅測試中所看到的更嚴重。從機制上講，這些發(fā)現(xiàn)通常歸因于離子遷移和界面處的電荷積累。

在此，本文研究了在模擬1個太陽照明（定義為AM1.5或1 kW m^-2），OC條件和85°C的工作穩(wěn)定性，這也是迄今為止僅對鈣鈦礦太陽能電池進行程度研究的重要測試條件。

結(jié)果表明，PSCs中的光和熱誘導降解與在界面和晶界（GBs）處形成的點缺陷有關(guān)。使用封裝可以減少水分誘導的降解，而鈣鈦礦薄膜內(nèi)界面和GB處的缺陷需要鈍化以提高PSC的PCE和固有耐久性。使用含磷（P）、氮（N）、硫（S）和氧（O）的路易斯堿基分子形成配位共價鍵，將電子給予界面和GB處的欠配位鉛原子，這在提高PSC耐久性方面顯示出特別的希望 。

使用密度泛函理論（DFT），表明含P的路易斯堿基分子與不配位的Pb原子顯示出最強的結(jié)合。因此，作者研究了含膦的分子，推斷這些分子將在界面和GB上提供額外的結(jié)合和橋接，發(fā)現(xiàn)，用少量1,3-雙(二苯基膦)丙烷（DPPP）處理鈣鈦礦可以提高PCE和耐久性：DPPP處理后的倒置（p-i-n）電池顯示出24.5%的最佳PCE。在~40°C連續(xù)模擬AM1.5照明下，初始PCE為~23%的PSC在最大功率點跟蹤（MPPT）后穩(wěn)定在~23.5%。更加重要的是，DPPP穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池在OC和85°C條件下保持超過1500小時后，沒有發(fā)生PCE下降。

圖1. DFT計算的DPPP與鈣鈦礦的結(jié)合

圖2. DPPP對鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和器件性能的影響

圖3. DPPP處理前后鈣鈦礦膜穩(wěn)定性的表征

圖4. DPPP處理裝置的性能和穩(wěn)定性

Chongwen Li, Xiaoming Wang, Enbing Bi, Fangyuan Jiang, So Min Park, You Li, Lei Chen, Zaiwei Wang, Lewei Zeng, Hao Chen, Yanjiang Liu, Corey R. Grice, Abasi Abudulimu, Jaehoon Chung, Yeming Xian, Tao Zhu, Huagui Lai, Bin Chen, Randy J. Ellingson, Fan Fu, David S. Ginger, Zhaoning Song, Edward H. Sargent, Yanfa Yan*, Rational design of Lewis base molecules for stable and efficient inverted perovskite solar cells, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3970

二、中國科學技術(shù)大學徐集賢教授Science

通常情況下，為了在鈣鈦礦太陽能電池中保持高的電荷載流子導電性，鈍化層需要非常?。▇1 nm）以實現(xiàn)電子隧穿。然而，這種方法限制了效率，使其在開路電壓（V_oc） 和填充因子（FF）之間進行權(quán)衡，并且在大面積的溶液中制造薄膜時遇到了挑戰(zhàn)。

在此，中國科學技術(shù)大學徐集賢教授等研究者通過引入具有隨機納米級開口的厚（~100 nm）絕緣體層來克服這一挑戰(zhàn)，對具有這種多孔絕緣體接觸（PIC）的電池進行了漂移-擴散模擬，并通過控制氧化鋁納米板的生長模式來實現(xiàn)了這一過程。

結(jié)果表明，將p-i-n器件的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）從~23%提高到25.5%（認證穩(wěn)態(tài)PCE為24.7%，有效面積0.06 cm²），這是p-i-n電池有史以來報告的最高值。

相關(guān)論文以“Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact”為題發(fā)表在Science。

先進的器件架構(gòu)和接觸設(shè)計，以及吸收器質(zhì)量的提高，推動了鈣鈦礦太陽能電池的興起。

其中，鈣鈦礦沉積在電子傳輸層（ETL）上的傳統(tǒng)n-i-p器件的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）高達25.7%。p-i-n電池[建立在空穴傳輸層（HTL）上的倒置架構(gòu)]最近也達到了~24%的認證PCE。

盡管p-i-n電池的PCE落后于n-i-p電池，但它們重視程度仍然高居不下，特別是因為它們在最先進的串聯(lián)電池中表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和更高的效率。

通常情況下，鈣鈦礦電池的開路電壓（V_ocs）相對于Shockley-Queisser（S-Q）極限達到>90%，超過了記錄硅電池的水平（~85%）。這種高水平的V_oc反映了通過插入超薄低電導率鈍化層，能夠減少光載流子傳輸界面上的非輻射。

其中，低維鈣鈦礦和低導電性有機材料是當前提高電池性能的主要鈍化材料。據(jù)報道，由于串聯(lián)電阻損耗，介電層厚度的亞納米增加可導致巨大的填充因子（FF）降低，這種權(quán)衡問題對于二維（2D）鈣鈦礦和絕緣有機鈍化層也是通用的，這種鈍化-傳輸權(quán)衡使得V_oc和FF同時最大化成為一個挑戰(zhàn)。

在這里，本文提出了一種接觸結(jié)構(gòu)，其中傳統(tǒng)的超?。▇1nm）鈍化層被具有隨機納米級開口的厚（~100nm）介電掩模所取代（圖1A）。光載流子提取不會受到影響，其通過開口而不是通過電隧穿穿過厚介電掩模。這種觸點設(shè)計稱為“多孔絕緣體觸點”（PIC）。

同時，本文使用低成本和可擴展的解決方案工藝實現(xiàn)了這種設(shè)計，該工藝對介電厚度和開口尺寸的變化表現(xiàn)出很高的耐受性。數(shù)值模擬和器件實驗表明，PIC通過接觸面積減小和鈍化的協(xié)同效應(yīng)減少了鈣鈦礦HTL接觸處的非輻射復合。

此外，由于PIC團簇具有親水性和粗糙性，并且優(yōu)選的HTL材料具有疏水性，因此表面潤濕和鈣鈦礦薄膜質(zhì)量得到改善。

圖1. p-i-n器件PIC的概念和仿真

圖2. 通過Al₂O₃納米板溶液工藝實現(xiàn)PIC接觸設(shè)計

實驗結(jié)果表明，HTL接觸處的表面復合速度（SRV）從64.2 cm/s降低到9.2 cm/s。由于鈣鈦礦結(jié)晶度的提高，復合壽命從1.2 μs增加到6.0 μs。同時，使用可以將接觸面積減少~25%的PIC，將p-i-n器件的PCE從~23%提高到25.5%（認證穩(wěn)態(tài)PCE為24.7%，有效面積0.06 cm²），這是p-i-n電池有史以來報告的最高值。其V_oc×FF的乘積為Shockley-Queisser極限的87.9%，可與創(chuàng)紀錄的n-i-p器件相媲美。

圖3. PIC對減少非輻射復合的影響

最重要的是，鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的潤濕性得到改善，從而證明了一個效率為23.3%的1平方厘米p-i-n電池，在所有具有大于1平方厘米有效面積的鈣鈦礦電池中名列前茅，且證明了它對不同HTL和鈣鈦礦成分（帶隙為1.55、1.57和1.65 eV）的廣泛適用性。

圖4. PIC增強p-i-n器件的PV特性

Wei Peng?, Kaitian Mao?, Fengchun Cai, Hongguang Meng, Zhengjie Zhu, Tieqiang Li, Shaojie Yuan, Zijian Xu, Xingyu Feng, Jiahang Xu, Michael D. McGehee, Jixian Xu*, Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3126