特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
使用金属卤化物钙钛矿（约1.2 eV–3.0 eV）可实现的宽范围带隙使硅、铜铟镓硒化物（CIGS）和有机光伏的串联太阳能电池成为可能。最近，由堆叠的宽带隙（WBG）~1.8eV和窄带隙（NBG）~1.2eV层制成的所有钙钛矿串列超过了单结钙钛矿太阳能电池（PSC）的最高记录功率转换效率（PCE）。
关键问题
尽管取得了快速进展，钙钛矿叠层电池仍存在以下问题：虽然单结~1.5 eV的PSCs已经实现了低至0.3 V的VOC损失，但混合碘/溴化物>1.75 eV的PSCs尚未实现低于0.5 V的VOC损失。VOC损失被认为是钙钛矿中陷阱密度增加、光诱导的卤化物分离以及与电荷传输层的能量对准不良所致。一旦与电荷传输层接触，钙钛矿的PLQY趋于显著降低，钙钛矿/传输层界面在钙钛矿带隙内的复合路径未形成定论。
新思路
有鉴于此，多伦多大学Edward H. Sargent等人揭示了电子传输层(ETL)接触处的VOC限制复合源于不均匀的表面势和差的钙钛矿-ETL能量排列。作者通过引入二胺分子来修饰钙钛矿表面态，实现更均匀的表面电势空间分布。使用1，3-丙烷二铵(PDA)，QFLS增加了90 me V，实现了1.79 eV的PSCs，认证的VOC为1.33 V，功率转换效率(PCE)>19 %。将该层与单块全钙钛矿串联，报道了创纪录的2.19 V的VOC限值和>27 %的PCE。这些串联在500小时运行后保留了其初始PCE的86%以上。作者推断调整钙钛矿/C60界面处的表面电势将通过减少钙钛矿和C60之间的带偏移以及减少界面处的少数载流子的数量来抑制这种跨界面复合，并实现了C60诱导重组途径的有效抑制。2、探究了钙钛矿薄膜表面不均匀性及其表面吸附分子层的修复作者通过实验与理论相结合，证实了PDA处理后的膜更均匀，表现出较低功函数，价带最大值区域附近的隙内表面状态被抑制。作者制造了WBG太阳能电池，证实了 WBG PSC的VOC增加以及稳定性，并解析了性能提升的原因。作者制造了单片全钙钛矿串联太阳能电池，实现了创纪录的PCE，高VOC，JSC以及FF。还制造了1 cm2的全钙钛矿串联太阳能电池，同样获得了高PCE和VOC。作者将表面修饰的钙钛矿层与单块全钙钛矿串联，报道了创纪录的2.19 V的VOC和>27 %的PCE。PDA处理的WBG细胞在最大功率点下运行700小时的输出，没有显示出PCE损失；串联在500小时运行后保留了其初始PCE的86%以上。作者通过理论结合实验，解析了钙钛矿/C60界面处的表面电势将通过减少钙钛矿和C60之间的带偏移以及减少界面处的少数载流子的数量来抑制这种跨界面复合，并基于此实现了C60诱导重组途径的有效抑制。
技术细节
作者发现在C60沉积使得PLQY降低了两个数量级。用碘化丁基铵（BA）钝化表面会增加PLQY，但在C60沉积后，这种改进并未保留。作者推断调整钙钛矿/C60界面处的表面电势将通过减少钙钛矿和C60之间的带偏移以及减少界面处的少数载流子的数量来抑制这种跨界面复合。用1,3-丙烷碘化二铵（PDA）处理钙钛矿表面，发现由C60诱导的重组途径已被有效抑制。进一步使用了紫外光电子光谱（UPS），发现BA诱导费米能级降低，而PDA诱导费米能级升高，分别导致更强和较弱的表面p型掺杂。表面电势的后一个变化在界面处产生较低的少数载流子浓度，并将钙钛矿和C60之间的带偏移减少了60meV。图 钙钛矿和电子传输层之间的复合：分析及其最小化策略作者发现处理后的膜表面上存在PDA配体。使用密度泛函理论，研究了PDA处理各种表面结构时的功函数变化。结果表明，具有VBr的原始Pb-I终止表面在PDA处理后表现出0.44eV的较低功函数，价带最大值区域附近的隙内表面状态被抑制。高光谱成像表明PDA处理后的膜更均匀。C60沉积后，对照的QFLS下降并进一步变宽，而PDA膜的QFLS保持在1.33eV，分布稍窄。KPFM表明，这种效应与控制膜的不均匀接触电势有关，当与C60接触时，控制膜的接触电势将扩大界面电子状态，导致复合增加。PDA处理显著缩小了接触电位分布，这表明复合减少和载流子提取改善。GIWAXS证实了尽管PDA不会诱导形成新的晶相，但它确实与钙钛矿表面发生反应。作者制造了WBG太阳能电池。WBG PSC的J-V曲线显示VOC从1.23 V增加到1.33 V，报告的最高VOC约1.8 eV。作者还使用PDA表面处理制造了1cm2 WBG器件，其VOC约为1.35V，PCE为19.0%。PDA处理装置的电荷复合寿命（τr）比对照装置的更长，这与PDA后处理后C60界面处载流子捕获的减少一致。PDA处理导致扩散长度增加了2倍的增加。跟踪PDA处理的WBG电池在最大功率点下运行700小时的输出，在1太阳光照下连续操作700小时后，PDA处理的装置显示PCE没有损失，可归因于PDA处理的膜中显示出的离子迁移势垒增加。PDA处理将ETL处的VOC损失从104 mV降低到16 mV，还消除了对照样品中存在的全堆叠QFLS和器件VOC之间的14 mV失配，表明处理后钙钛矿和C60之间的带偏移减少。除了减少VOC损失外，PDA处理的装置运输（填充系数）损失减少了3.4%，这也表明在处理过的界面处有良好的带弯曲，从而改善了载流子提取。使用的高VOC PDA处理的WBG活性层和Cs0.05FA0.7MA0.25Pb0.5Sn0.5I3NBG混合Pb-Sn钙钛矿，制造了单片全钙钛矿串联太阳能电池。串联装置EQE测量的WBG和NBG子电池的综合短路电流密度（JSC）值分别为15.4和15.2 mA/cm2。根据EQE谱计算的WBG和NBG子电池的带隙分别为1.79eV和1.22eV。串联WBG和NBG PSC表现出创纪录的PCE为27.4%，高VOC为2.19V，JSC为15.1mA/cm2，FF为83.1%。将串联电池送至经认证的独立光伏校准实验室（NREL），证实串联装置提供了26.29%的认证PCE和2.13V的VOC，并且是第一个通过认证的全钙钛矿串联，使用相同的渐近Pmax (最大功率)扫描协议，超过单结钙钛矿太阳能电池的记录PCE。还制造了1 cm2的全钙钛矿串联太阳能电池，其PCE为26.03%，VOC为2.16V。
展望
总之，作者通过二铵表面改性，实现了钙钛矿高VOC和PCE的协同。通过调节表面电势使所有钙钛矿串中的电压最大化，这种有前途的操作稳定性使得钙钛矿串联太阳能电池朝向应用迈出了重要一步。Chen, H., Maxwell, A., Li, C. et al. Regulating surface potential maximizes voltage in all-perovskite tandems. Nature (2022).DOI: 10.1038/s41586-022-05541-zhttps://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z
