第一作者：Philipp Tockhorn通讯作者：Steve Albrecht、Christiane Becker通讯单位：德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心研究亮点：1. 提出了具有周期性纳米结构的钙钛矿叠层太阳能电池，在不影响溶液处理钙钛矿层的材料质量的情况下具有各种优势。2. 将温和的具有周期性的亚微米结构和改进的后反射器设计集成到单片PSTSCs中，从而得到更好性能。3. 研究证明了PSTSCs细胞的显著光学改进，并为了解纹理钙钛矿顶部细胞的形态和光电特性提供了见解。一、晶片上的flm增长仍然具有挑战性钙钛矿叠层太阳能电池是克服传统硅太阳能电池功率转换极限的可能性。各种纹理叠层器件已经被提出，旨在提高光学性能，但优化表面纹理晶片上的flm增长仍然具有挑战性。在这里，德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心Steve Albrecht和Christiane Becker等人提出了具有周期性纳米结构的钙钛矿叠层太阳能电池，在不影响溶液处理钙钛矿层的材料质量的情况下具有各种优势。与平面叠层体相比，作者显示了翻新损失的减少，因为新的器件对偏离最佳层厚度的情况不那么敏感。纳米结构还能使制造产率从50%大大提高到95%。此外，由于钙钛矿顶部电池的光电性能的提高，开路电压提高了15 mV。作者的光学先进的后反射与电介质反射层导致减少寄生吸收在近红外波长。结果，作者证明了一个认证的功率转换效率为29.80%。二、结果与讨论要点1：纳米纹理PSTSC设计单片双端钙钛矿叠层太阳能电池（PSTSCs）最近已经实现了超过31%的功率转换效率（PCEs），从而克服了传统的晶体-硅单结太阳能电池的物理极限。如此高的pce是通过PSTSCs的光学和电子性能的不断改进来实现的。这些改进包括切换电池极性以增强顶接触传输，并对不同层进行微调，以提高光学性能。此外，各种出版物也讨论了这一改进问题通过优化接触层，利用添加剂和调整钙钛矿组合物或沉积物。数值研究通过为高pce引入纹理器件接口，强调了充分的光管理的重要性。对于硅太阳能电池，氢氧化钾蚀刻的随机锥体纹理通常用于光管理。然而，如果不进一步适应溶液处理的钙钛矿吸收剂，它们就不兼容，这导致钙钛矿单结太阳能的pce报道最高到目前为止。近年来，人们研究了在PSTSCs中实现光管理纹理的不同方法，要么采用钙钛矿沉积技术，但保持金字塔纹理不变，要么通过调整纹理使钙钛矿溶液处理变得可行。这些研究证明了PSTSCs细胞的显著光学改进，并为了解纹理钙钛矿顶部细胞的形态和光电特性提供了见解。然而，开发一个合适的纹理仍然是一个主要的挑战，它能够平衡纹理PSTSCs与溶液处理的钙钛矿顶部细胞的电子和光学性能之间的持续权衡。在最近的研究中，作者已经引入了具有亚微米特征尺寸的温和正弦纳米结构，作为PSTSCs的理想候选材料：光学模拟表明，与平面参考叠层太阳能电池相比，PCE可以大大增强。作者进一步通过实验证明，这种纳米结构在两种溶液过程中都提供了一种可行的光管理方法。图1 纳米纹理PSTSC设计要点2：钙钛矿薄膜的形成和形貌尽管Me-4PACz改善了电子性质（例如，与2PACz和聚（三芳基胺）相比），但平面底电池/Me-4PACz上钙钛矿薄膜的次优形成常常导致宏观空穴（图2a)。然而，当钙钛矿被自旋涂覆在覆盖了Me-4PACz的纳米纹理硅底电池上（图2b）时，宏观孔洞的出现大大减少。在钙钛矿沉积后，作者目视检查了样品，并拒绝了任何出现宏观孔洞的样品。如图2c所示，在45个加工过的纳米纹理叠层太阳能电池中，只有2个在钙钛矿自旋涂层后有可见的孔洞（∼产率为95%）。相比之下，在与纳米纹理细胞平行处理的30个平面器件中，有15个显示出宏观孔洞（~产量为50%）。为了更系统地了解这一观察结果，作者测量了钙钛矿溶液在各自表面上的静态接触角和滚开角（图2d，e）。作者发现，与平面表面相比，纳米结构表面的表面能降低，润湿性降低(见静态接触角测量，在纳米纹理样品上，作者观察到一个更大的滚转角（25°），定义为钙钛矿溶液开始离开表面的倾斜角，比平面参考（18°）。这表明纳米纹理表面保留钙钛矿溶液的能力有所提高。这一观察结果可以用de Gennes和同事的方法来解释，在该方法中，固定三相接触线的表面粗糙度增强了由此产生的液滴保持力。这种现象是伪超疏水表面的一个特征，它表现出非常大的接触角，但液滴被特定的材料和纹理组合所固定，导致异常大的滚开角。因此，作者认为增加液滴在纳米纹理表面的保留是作者提高制造收率的一个重要因素。图2 钙钛矿薄膜的形成和形貌要点3：光学分析通过测量外部量子效率（EQE）和反射率(R)，分析了平面和纳米结构的PSTSCs的光学性能。平面和平面的代表性EQEs和1−R纳米结构的PSTSCs如图3a所示；钙钛矿的EQEs没有明显的差异。相比之下，叠层电池的EQEs彼此不同：纳米结构减少了发生在钙钛矿顶部电池内的薄膜干涉（绿色实线）引起的峰和谷。。与EQE测量相比，纳米纹理将反射率从3.30显著降低到2.82 mA cm−2电流密度等量。经过大量处理的PSTSC器件的结果证实，纳米结构诱导的反射率平均降低约为0.5 mA cm−2电流密度等效（Jph，R）（图3b）。对EQE测量的组合光生电流密度进行统计分析，得到了选定的纳米纹理器件的最高值，确认了它们的光学势。平面器件和纳米纹理器件的平均值分别为39.15和39.47 mA cm−2，表明纳米结构提高了光学器件的性能（图3c）。op的部分补偿尽管如此整体高水平的光学性能是独立确认的相对光谱响应测量在夫劳恩霍夫（见补充图6，b证书和EQE光谱）与光生电流密度为20.31和19.70 mAcm−2钙钛矿的纳米纹理PSTSC。尽管电流不匹配对组合光生电流密度的影响很小，但组合光生电流密度为40.01 mA cm−2是文献报道的双端PSTSCs的最高值之一。图3 纳米纹理PSTSC的太阳能电池特性要点4：光学分析图4a显示了具有代表性的纳米纹理和平面PSTSCs的电流-密度/电压特性。两种设备的pce(η)均高于29%，JSC为19.45 mA cm−2。此外，平面PSTSC和纳米纹理PSTSC的填充因子（FF）显示出相似的值。即使考虑到许多器件和电流密度不匹配对FF的影响，平面构型和纳米纹理构型之间没有明显的差异）。除了电子特性外，作者还通过对平面和纳米纹理PSTSC的连续照明来测试其在最大功率点下的稳定性。观察到的随着时间推移的退化与之前的结果相似。作者没有观察到纳米结构对叠层器件的稳定性的影响。相比之下，平面和纳米纹理PSTSC的开路电压（VOC）有很大差异。图4b显示了带有钙钛矿带隙的平面（黑盒）和纳米纹理（绿盒）PSTSCs的VOC的1.68 eV。与平面PSTSCs相比，纳米纹理条件下的整体VOC分布的最大值更高，中值VOC在统计学上提高了约15 mV。为了验证和理解这种效应，作者使用了基于电致发光和光致发光（EL/PL）的亚细胞选择性表征方法，这使得评估顶部和底部细胞的电荷输运和重组特性成为可能，并确定它们的效率潜力。首先，作者通过向叠层器件中注入电流并检测两个亚细胞发射的EL，从而量化了两个亚细胞的注入依赖性电致发光量子产率（EQEEL）。从发射的EL中，作者计算了准费米能级分裂。与注入相关的QFLSEL等于一个无叠层电阻的暗J-V曲线，由此作者可以通过添加产生电流得到一个伪J-V曲线。图4c显示了平面上两个亚细胞的特征和纳米纹理的PSTSCs。这些结果显示，纳米结构PSTSC的钙钛矿亚电池中EQEEL增强了约~60%，这解释了相应的J-V测量中~15 mV VOC增益。作者注意到，纳米纹理和平面PSTSCs的伪ff分别为84.5%和84.1%，明显超过了实验值，从而为这些太阳能电池提供了进一步的优化路线。此外，钙钛矿在纳米纹理器件中的EL发射有轻微的倾斜，这可能表明增强了光子回收。作者注意到，两种硅亚电池的隐含性能是相同的，并且用纳米结构器件获得的效率潜力接近32%图4 实现了一个后置RDBL的高性能纳米纹理四、小结在这项研究中，作者将温和的亚微米周期纳米结构和改进的后反射器设计集成到单片PSTSCs中。纳米结构可以大大提高溶液处理的钙钛矿顶电池的工艺产率，从平面上的约50%提高到纳米结构硅底电池的约95%。作者进一步观察到反射损耗的减少，总计约为0.5 mA cm−2电流密度当量。结果，在钙钛矿和硅cm−2的40.0 mA亚电池中观察到组合短路电流密度，这是最高值之一在文献中报道的双端PSTSCs。灵敏度分析进一步表明，纳米结构在偏离最佳纳米晶氧化硅层厚度时显著提高了性能鲁棒性——这是叠层技术工业化和在更大领域加工的一个重要方面。根据作者的亚细胞选择性EL特性，导致PSTSC性能改善的主要驱动因素是开路电压增加了约15 mV，这仅仅源于钙钛矿顶部细胞性能的改善。除了硅底电池正面的纳米结构外，作者还在背面实现了RDBL。该设计通过减少寄生吸收损失，进一步将硅底电池中的电流密度提高了约0.3 mA cm−2。通过在一个PSTSC中结合纳米结构和RDBL，作者获得了29.80%的认证PCE。这些结果为纳米光学设计在高效钙钛矿太阳能电池和其他金属卤化物钙钛矿光电器件中的广泛应用铺平了道路。五、参考文献Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite–silicon tandem solar cellshttps://doi.org/10.1038/s41565-022-01228-8
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