【引言】

金屬鹵化物鈣鈦礦材料（ABX₃，過優鈣鈦典型的化帶A為Cs、MA、過優鈣鈦FA，化帶B為Pb、過優鈣鈦Sn，化帶X為I、過優鈣鈦Br、化帶Cl）以其快速提高的過優鈣鈦光電轉換效率和低廉的制備成本，已經成為極具前景的化帶光伏技術。單結鈣鈦礦太陽能電池器件的過優鈣鈦認證效率為22%，但是化帶鈣鈦礦電池的商業化將可能作為硅太陽能電池的“補充”。在疊層構造中，過優鈣鈦帶隙為1.75eV的化帶鈣鈦礦能夠提高硅電池的效率，所有的過優鈣鈦疊層鈣鈦礦太陽能電池具有更低的制備成本，但是合適的材料帶隙匹配還未能實現。最高效的疊層器件要求背電池的帶隙為0.9-1.2eV，前電池的帶隙為1.7-1.9eV。雖然像FA_0.83Cs _0.17Pb(I_xBr_1-x)₃等材料的帶隙能夠滿足前電池的要求，但是鉛基材料的帶隙無法調節到滿足背電池要求的1.48eV以下。用Sn完全取代Pb后的帶隙能夠達到1.3eV，然而錫基材料對空氣極度敏感而且制備困難，所以這類器件的效率被限制在6%左右。因此，如何通過優化帶隙匹配，既能分別滿足前電池和背電池的帶隙要求又可以穩定存在，便成疊層太陽能電池的關鍵所在。

【成果簡介】

在本篇報道中，英國牛津大學的Henry J. Snaith和美國斯坦福大學的Michael D. McGehee（共同通訊作者）的團隊以理想的匹配帶隙，制備出了四端和兩端鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層太陽能電池。該團隊開發了一個能夠吸收紅外光、帶隙為1.2eV的鈣鈦礦材料FA_0.75Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃，這能夠獲得14.8%的效率。將該材料與寬帶隙的FA_0.83Cs_0.17Pb(I_0.5Br_0.5)₃材料相結合，單片兩端疊層效率達到了17%，超過1.65V的開路電壓。同時他們也機械地堆疊了四端疊層電池，并獲得20.3%的效率。至關重要的是他們發現，他們開發的吸收紅外的鈣鈦礦電池表現出優異的熱穩定性和空氣穩定性。在長時間和低制備成本下，這個器件結構和材料設置將會使得“所有的鈣鈦礦”薄膜太陽能電池達到最高的效率。

【圖文導讀】

圖1、Sn-Pb合金

a,SEM圖展示了不同Sn濃度的FASn_xPb_1-xI₃的上表面，以及通過PAI沉積的方法制備的FA₇₅Cs_0.25Pb_0.5Sn_0.5I₃。0%Sn的膜在170℃下退火，其他膜在70℃下加熱。

b,以Sn%為自變量的實驗估計帶隙圖，取決于吸收（黑色）的吸收邊（假設是直接帶隙）。紅色的位置是熒光（PL）峰。

c,采用一個包含八個BX6八面體的超晶胞，通過第一性原理計算的Pb-Sn合金鈣鈦礦，Pb、Sn原子相對有序。描點表示某一組成的所有可能帶隙，這是基于Pb、Sn的所有可能組態。實線連接了所有最低帶隙點，以便于與實驗比較。

圖2、?FASn_0.5Pb_0.5I₃?和FA_0.75Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃?鈣鈦礦太陽能電池的性能與穩定性

a,窄帶隙單節鈣鈦礦太陽能電池的器件結構示意圖。

b,在5G照射下，最好的FASn_0.5Pb_0.5I₃和FA_0.75Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃?的電流電壓特性。沒有預置偏壓或光照下在0.1v/s測試，實線為有光照射，虛線為黑暗情況下。

c,通過最大功率點跟蹤算法測量出的最佳太陽能電池的穩定功率輸出。

d,每一種材料最佳器件的外量子系數，這提供了JV掃描Jsc的很好匹配。

e,三種組成FASn_xPb_1-xI₃(x=0, 0.5, 1)以及 ?FA₇₅Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃?電池在空氣中、AM1.5G照射、最大功率點下測量，得到PCE的時間函數。

f,FASn₅Pb_0.5I₃和FA_0.75Cs_0.25Sn_0.5Pb_0.5I₃膜的熱穩定性，這通過在100°C加熱樣品，并監測其在900 nm處的吸收的時間函數。

圖3、鈣鈦礦-鈣鈦礦的疊層

a,該圖展示了兩端和四端疊層鈣鈦礦太陽能電池的概念。在這張圖中光從下照到器件。

b,兩端鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層的橫截面SEM圖。

c,在5G照射下，兩端鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層電池、1.2eV太陽能電池、涂覆1.8eV太陽能電池的ITO的電流電壓特性。

d,次級電池的外量子系數譜。

e,分別為2eV鈣鈦礦、1.2eV-1.6eV鈣鈦礦疊層太陽能電池、ITO上1.6eV鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線，這用于確定機械疊層的效率。

f,機械疊層外量子效率譜。

g,在5G照射下、最大功率點上，兩端鈣鈦礦太陽能電池、涂覆有1.6eV鈣鈦礦的ITO過濾的電池、機械堆疊電池的穩定功率輸出。

文獻鏈接：Perovskite-perovskite tandem photovoltaics with optimized bandgaps（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf9717）

本文由材料人編輯部電子電工學術組lyh_wv供稿，材料牛編輯整理。

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