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。在过去的十年中，有机金属卤化物钙钛矿材料（ABX3）已成为光伏技术中光吸收材料的有前途的选择。为了实现单结太阳能电池以及全钙钛矿串联子电池在1.1–1.4eV范围内的窄带隙(NBG)，铅(Pb)和锡(Sn)可以在B位金属离子中合金化。全钙钛矿串联太阳能电池有望超越单结太阳能电池的Shockley-Queisser极限。
关键问题
1、制造高效、稳定的NBG Sn-Pb钙钛矿太阳能电池仍存在巨大挑战因为Sn2+容易氧化成Sn4+，导致p型自掺杂，载流子寿命短和设备性能下降，因此制造高效、稳定的NBG锡铅钙钛矿太阳能电池（PSC）仍是一个巨大的挑战。2、单结Sn-Pb PSC的性能限制了全钙钛矿串联的上限目前，通过优化NBG混合Sn-Pb子电池和宽带隙(WBG)子电池，实现了全钙钛矿串联电池的创纪录性能。然而，单结Sn-Pb PSC的性能仍有很大的提升空间，这最终决定了全钙钛矿串联的上限。
新思路
有鉴于此，武汉大学柯维俊、方国家等人专注于窄带隙子电池并为其开发了一种一体化掺杂策略。作者将天冬氨酸盐酸盐（AspCl）引入底部聚（3,4-乙撑二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）和块状钙钛矿层，然后再进行一次AspCl后处理。结果表明，单一AspCl添加可以有效钝化缺陷、减少Sn4+杂质并改变费米能级。此外，AspCl-Sn/Pb碘化物和AspCl-AspCl之间的强分子键可以强化结构，从而提高Sn-Pb钙钛矿的稳定性。最终，在Sn-Pb钙钛矿太阳能电池中实施 AspCl 掺杂，单结电池的功率转换效率为22.46%，串联电池的功率转换效率为27.84%（稳定效率27.62%，认证效率27.34%），在充满N2的手套箱中存储2000 h后，保持率为95%。本工作结果表明，一体化AspCl掺杂是提高单结Sn-Pb钙钛矿太阳能电池及其串联电池效率和稳定性的有利策略。作者阐明了AspCl一体化掺杂策略，并通过理论计算及性能表征表明AspCl的引入有利于钝化缺陷、抑制离子迁移和稳定钙钛矿，进而显着提高器件性能。作者通过一系列表征来解析钙钛矿器件性能增强原因，表明AspCl的掺入可以减少Sn-Pb钙钛矿中的缺陷，改善了载流子分离和传输。作者比较了性能最佳的控制设备和目标设备的J-V曲线，表明AspCl修饰显著提高了太阳能电池的效率和稳定性。作者制造了全钙钛矿串联太阳能电池，表明串联器件具有高效率和高稳定性，同时还表现出良好的再现性。作者通过将手性AspCl掺入钙钛矿不同组件中，开发了一种Sn-Pb PSC的一体化掺杂方法，构建了钙钛矿内部分子锁，实现了钙钛矿表面缺陷钝化。作者在Sn-Pb钙钛矿太阳能电池中实施AspCl掺杂，单结电池的功率转换效率为22.46%，串联电池的功率转换效率为27.84%，且具有良好的稳定性和再现性。AspCl分子由三个功能部分组成：Cl−阴离子抑制碘空位的形成，氨基与I−配位以减少陷阱状态并抑制碘离子迁移，羧基与Pb和Sn离子配位以抑制钙钛矿分解。此外，两个AspCl分子中的氨基和羧基可以与钙钛矿通过分子间氢键彼此结合，为钙钛矿创建了内部分子锁，可以有效钝化表面缺陷并提高器件稳定性。作者利用DFT计算表明AspCl的引入有利于钝化缺陷、抑制离子迁移和稳定钙钛矿。作者制造了单结Sn-Pb PSC并评估了AspCl在Sn-Pb钙钛矿器件中的有效性，表明AspCl的掺入可以显着提高器件性能。
图 NBG Sn-Pb钙钛矿中AspCl的制备及其机理作者通过一系列表征来解析钙钛矿器件性能增强原因。作者通过SEM、AFM、XRD、XPS等多种手段表征了薄膜形态、薄膜质量、晶体结构、分子间相互作用等多项性能指标，结果验证了AspCl的掺入可以减少Sn-Pb钙钛矿中的缺陷。由于钙钛矿的能级在载流子分离和传输中起着至关重要的作用，作者还研究了器件的能带结构。作者通过UPS和Eg测量了不同钙钛矿薄膜以探索薄膜的导带最小值（CBM）和价带最大值（VBM）水平，结果表明AspCl的引入导致了与C60和PEDOT:PSS具有良好的能带匹配，最终改善了载流子分离和传输，从而增加了器件的开路电压。
基于上述结果，所得太阳能电池表现出改进的性能。作者比较了性能最佳的控制设备和目标设备的J-V曲线。最佳目标PSC显着改善了Jsc、Voc、FF和PCE值，分别为31.69 (31.77) mA cm−2、0.89 (0.88) V、79.90 (77.96)%和22.46(21.80)%，认证PCE为21.72%。相应控制装置和目标装置在最大功率点的稳态输出（SPO）效率分别为15.91%和22.14%。除了效率之外，AspCl修饰还提高了太阳能电池的稳定性，器件在恒定1太阳光照下的最大功率点 (MPP)跟踪稳定性测试表明，未封装的目标器件在55 ℃的充氮气手套箱中运行100 小时后仍保留其初始效率的80%。封装并储存在充满N2的手套箱中的设备在室温保存2000小时后，目标样品的PCE仍保持了92％。这些结果表明，AspCl 的添加显着提高了 Sn-Pb PSC 的效率和稳定性。
作者使用NBG Sn-Pb PSC作为底部子电池和WBG（FA0.8Cs0.2PbI1.8Br1.2）PSC作为顶部子电池制造了单片两端（2T）全钙钛矿串联太阳能电池。性能最佳的串联器件在反向测量时表现出16.02 (16.06) mA cm−2 的高 Jsc、2.11 (2.12) V的Voc、82.20 (78.47)%的FF和27.84 (26.75)%的PCE（正向）电压扫描，加上27.62%的SPO效率。独立实验室认证表明反向和正向电压扫描的效率分别为27.34%和27.12%。作者还提供了32个2T全钙钛矿串联太阳能电池的光伏参数统计，显示出良好的再现性。器件的长期运行稳定性和储存稳定性表明，在55°C下持续1太阳照射380小时后，未封装的串联器件的PCE保留了其原始PCE的 80%，封装的串联器件在室温下N2气氛中储存2000小时后仍保持其初始PCE的95%，展示了其在未来生产高效、稳定性好的串联太阳能电池的潜力。
展望
总之，作者为窄带隙子电池开发了天冬氨酸一体化掺杂策略，表明单一AspCl添加可以有效钝化缺陷、减少Sn4+杂质并改变费米能级，通过构建分子锁提高Sn-Pb钙钛矿的稳定性。最终获得了性能优异、稳定性强的单结电池和串联电池，为生产高效、稳定性好的串联太阳能电池提供了重要研究基础。 Zhou, S., Fu, S., Wang, C. et al. Aspartate all-in-one doping strategy enables efficient all-perovskite tandems. Nature (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-06707-z
