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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

混合卤化物钙钛矿研究的快速进展为开发下一代光伏器件开辟了数条途径。凭借其理想的光电特性，单结太阳能电池已实现26.1%的认证功率转换效率 (PCE)。值得注意的是，将钙钛矿吸收剂集成到晶体硅电池上以构建钙钛矿/硅串联太阳能电池 (PST) 可以进一步利用硅电池的工业优势，并为钙钛矿太阳能电池的市场渗透提供捷径。

关键问题

然而，PST的应用主要存在以下问题：

1、PST的长期运行稳定性仍令人担忧

PST 在顶部电池中使用宽带隙 (WBG) 钙钛矿吸收剂，串联结构的WBG吸波体存在结晶性差和织构度弱的问题，导致实际工作过程中存在严重的卤-阳离子混合离子迁移和相分离现象，进而缩短器件寿命。

2、目前的研究局限于对结晶的惊喜控制上，对成核控制关注较少

薄膜生长通常从核开始，核在决定最终薄膜性质方面起着重要作用。虽然大多数努力都集中在对结晶的精细控制上，但对控制核（尤其是相和成分）的关注却很少。

新思路

有鉴于此，北京理工大学陈棋、陈怡华和曜能科技Wu Yiliang等人通过在富溴聚集体和2H相形成之前成核3C相来控制对组分不敏感的WBG薄膜生长。所得到的WBG吸收器显示出改善的结晶度和强织构，抑制了非辐射复合，增强了对各种老化应力的抵抗能力。钙钛矿/硅叠层太阳能电池在25平方厘米的活性面积上实现了29.4 %的( 28.8 %由第三方评估)，在1平方厘米的活性面积上实现了32.5 %的能量转换效率。这些太阳能电池在封装时最大功率点( AM 1.5G照明,全光谱, 1-sun)处，25 °C和50 °C下分别工作1301和800小时后保持了98.3和90 %的原始效率。

技术方案：

1、实现了3C相的普遍成核

作者通过核工程和薄膜沉积技术，实现了WBG吸收剂的高质量结晶，增强了光电性能和稳定性。

2、探究了晶核工程的结晶机制    

作者利用OAmI优化WBG薄膜结晶，实现了无需后处理的强(001)面取向和3C相直接形成，提升了薄膜质量和光电性能。

3、分析了PST器件效率和大面积均匀性

作者通过核工程优化WBG钙钛矿薄膜，实现了高效率、稳定性的光伏器件，单片PST效率达32.5%，大面积器件效率29.4%，展现了商业应用潜力。

4、证实了核工程显著提升了WBG吸收剂的结晶度和热稳定性

作者表面核工程可以提升WBG吸收剂稳定性，目标薄膜在高温和光照下表现卓越，PST太阳能电池在MPP跟踪下维持高效率，适合平流层应用。

技术优势：

1、提出了利用核工程促进3C相的成核

作者报告了一种核工程方法，能够促进3C相的成核，而不受前体成分的限制。这种成核技术普遍适用于多种常见的核，包括那些通常不需要的富含Br和/或2H的相簇。

2、获得了提高PST稳定性和效率的WBG吸收剂

本工作开发的WBG吸收剂在非辐射复合减少、热降解、离子迁移和相分离方面显示出增强的稳定性。基于WBG吸收剂的冠军PST，其在1cm²的面积上达到了32.5%的PCE，在25 cm²的有效面积上达到了29.4%的PCE，同时还具备长稳定性。

技术细节

不依赖组分的晶体生长

作者通过创新的核工程方法，实现了3C相的普遍成核，有效抑制了WBG吸收剂结晶过程中不良中间体的形成。通过在前体中添加油基碘化铵(OAmI)，成功实现了无差别的I-Br分布，促进了富含Br和2H相簇的3C核的形成。此外，开发了一种薄膜沉积技术，结合核调节和定向晶体生长，制造出具有均匀晶体取向的高质量WBG吸收器。通过XRD和GIWAXS测试，发现不同配方的WBG吸收器展现出不同的晶体度和纹理特征。特别是，设计的样品在XRD中显示出增强的(001)晶面衍射强度和减小的半峰全宽，表明结晶度和质地的显著提高。这些改进的晶体质量与吸收体的缺陷特性和载流子行为密切相关，通过PL测试和QFLS增强量化了能量损失的减少，预示着更高的开路电压(VOC)。同时，Urbach能量(E_U)的下降表明了结构缺陷的减少，进一步提高了光电性能。    

图  不同 WBG 吸收器的晶体学和光电特性

晶核工程的结晶机制

作者通过旋涂法制备了含与不含油基碘化铵(OAmI)的WBG-B薄膜，并在室温下结晶，无需后处理。SEM观察到，含OAmI的目标样品形成微米级立方体，而对照样品呈针状。GIWAXS和XRD分析表明，目标样品具有(001)面优先取向的强纹理，而对照样品则显示出较弱的纹理。通过原位GIWAXS和PL测量，发现目标样品在结晶过程中直接形成3C相，避免了2H相的形成。此外，还探索了真空和气体淬火工艺，以稳定定制核并促进高度取向的钙钛矿薄膜生长。核工程试剂的扩展到其他长链烷基胺配体，如正辛基碘化铵，进一步证明了核工程的普适性。这些发现为制备高质量WBG钙钛矿薄膜提供了新的策略。    

图  宽带隙吸收体核工程实验研究

器件效率和大面积均匀性

作者通过使用WBG-B吸收剂和3% MAPbCl₃合金，成功制造了具有改进晶体质量的光伏器件。时间分辨PL测量显示，目标薄膜的载流子寿命显著延长，表明非辐射复合中心减少。通过优化OAmI浓度，提升了器件的开路电压(V_OC)和填充因子(FF)。采用硅异质结(SHJ)作为底部电池，制作了单片PST，实现了32.5%的PCE和1.96V的V_OC。在连续跟踪2000秒后，观察到稳定功率输出(SPO)为32.4%。此外，还探索了大面积WBG薄膜的制备，并在25 cm²的单片PST中实现了29.4%的PCE。这些结果表明，通过核工程优化的WBG钙钛矿薄膜具有高效率、稳定性和可扩展性，为商业光伏应用提供了新的可能性。    

图  1 cm²和25 cm² PST电池的光伏性能

长期运行的耐用性

作者通过核工程显著提升了WBG吸收剂的结晶度和热稳定性。在85°C的热老化测试中，目标薄膜展现出比对照组更强的(00h)取向保持能力和抗PbI₂降解能力。原位PL测量显示目标薄膜在连续光照下具有优异的光稳定性，非原位2D PL映射测试进一步证实了这一点。在偏压稳定性测试中，目标薄膜也表现出更好的离子迁移抵抗力。长期工作稳定性测试表明，核工程优化的PST太阳能电池在MPP跟踪下能保持98.3%的初始效率，远高于对照组。此外，湿热测试和航空航天环境模拟也证明了目标设备的卓越稳定性，为平流层应用提供了可行性。    

图  WBG吸收体在老化应力下的稳定性以及耐用的PST器件在长期运行中的稳定性

展望

总之，作者展示了通过核工程制造高晶体质量的混合卤化物和阳离子 WBG 钙钛矿薄膜，方法是将卤化物分布均匀的3C 相成核，以富含Br和2H相核为主。该策略适用于五种广泛使用的 WBG 吸收剂。优异的结晶性和强质地降低了非辐射复合损失，提高了对离子迁移和相分离的抵抗力。基于所得的 WBG 吸收剂，冠军PST设备实现了32.5%的冠军PCE。大面积PST设备也显示出29.4% 的PCE。优化后的 PST 器件表现出更好的长期稳定性，它们在 25° 和 50°C 下运行，在标准照明下进行 MPP 跟踪，运行时间为 1301 和 800 小时，初始效率分别损失约 1.7% 和 10%。

参考文献：

YIHUA CHEN, et al. Nuclei engineering for even halide distribution in stable perovskite/silicon tandem solar cells. Science, 2024, 385(6708): 554-560    

DOI: 10.1126/science.ado9104

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9104