廈大陳忠Nat. Nanotechnol.：鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三結(jié)太陽(yáng)能電池納米級(jí)界面定制

主要內(nèi)容

理論上，三結(jié)太陽(yáng)能電池在光電轉(zhuǎn)換效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，明顯優(yōu)于雙結(jié)和單結(jié)太陽(yáng)能電池。然而在實(shí)際應(yīng)用中，鈣鈦礦 - 鈣鈦礦 - 硅基三結(jié)器件卻始終未能達(dá)到理論極限，也未滿足商業(yè)目標(biāo)要求。

在此背景下，新南威爾士大學(xué)Anita Ho - Baillie副教授與廈門大學(xué)陳忠教授、鄭將輝副教授強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)展開(kāi)深入研究。為解決頂部鈣鈦礦結(jié)的表面缺陷問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)引入了哌嗪 - 1,4 - 二銨氯化物處理工藝，成功替代了穩(wěn)定性欠佳的氟化鋰。在頂部鈣鈦礦結(jié)與中部鈣鈦礦結(jié)的界面處理方面，團(tuán)隊(duì)對(duì)沉積在原子層沉積氧化錫上的金納米顆粒尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)**的歐姆接觸并**程度地減少光學(xué)損耗。

采用這些創(chuàng)新策略后，團(tuán)隊(duì)制備的面積為1平方厘米的**三結(jié)電池，經(jīng)第三方驗(yàn)證，其反向掃描光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了27.06%，開(kāi)路電壓為3.16伏。當(dāng)電池面積擴(kuò)大至16平方厘米后，該器件的穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率經(jīng)認(rèn)證達(dá)到了23.3%。此外，團(tuán)隊(duì)通過(guò)消除甲基銨并在鈣鈦礦體相中摻入銣，同時(shí)結(jié)合哌嗪 - 1,4 - 二銨氯化物表面層，有效延長(zhǎng)了器件的使用壽命。一個(gè)封裝好的面積為1平方厘米的電池在**功率點(diǎn)運(yùn)行407小時(shí)后，仍能保持初始效率的95%，且順利通過(guò)了IEC 61215熱循環(huán)測(cè)試。這些成果標(biāo)志著團(tuán)隊(duì)在高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦 - 鈣鈦礦 - 硅基三結(jié)太陽(yáng)能電池研究方面取得了重大突破。

總之，團(tuán)隊(duì)報(bào)告了通過(guò)優(yōu)化界面設(shè)計(jì)來(lái)提升鈣鈦礦 - 鈣鈦礦 - 硅三結(jié)電池性能的方法。具體而言，采用哌嗪 - 1,4 - 二銨氯化物對(duì)帶隙為1.91電子伏特、不含甲基銨（MA）且不含氟化鋰（LiF）的頂部鈣鈦礦電池進(jìn)行表面處理，并利用金（Au）納米顆粒實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦 - 鈣鈦礦單片集成，從而顯著提升了器件的性能與穩(wěn)定性。團(tuán)隊(duì)明確了“超薄”金的形式，即由納米顆粒構(gòu)成，并系統(tǒng)研究了納米顆粒尺寸與覆蓋率之間的關(guān)系，以便更科學(xué)地設(shè)計(jì)鈣鈦礦 - 鈣鈦礦界面，進(jìn)而提升器件性能。經(jīng)第三方驗(yàn)證，面積為1平方厘米的**級(jí)鈣鈦礦 - 鈣鈦礦 - 硅三結(jié)電池，其反向掃描光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到了27.06%；面積為16平方厘米的電池，其穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率經(jīng)認(rèn)證達(dá)到了23.3%。一個(gè)封裝好的三結(jié)電池在**功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）測(cè)試中運(yùn)行407小時(shí)后，仍能保持初始效率的95%；另一個(gè)封裝好的三結(jié)電池則通過(guò)了IEC 61215熱循環(huán)測(cè)試。這些成果為未來(lái)開(kāi)發(fā)更高效、更穩(wěn)定的鈣鈦礦 - 鈣鈦礦 - 硅三結(jié)太陽(yáng)能電池奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，通過(guò)能帶工程和光捕獲技術(shù)提升了頂部和中部鈣鈦礦結(jié)的電流輸出。此外，對(duì)于未來(lái)大面積三結(jié)電池而言，大面積薄膜沉積工藝和前柵極設(shè)計(jì)的改進(jìn)也至關(guān)重要，這將有助于使大面積器件的電壓、電流輸出及填充因子達(dá)到與**小面積器件相當(dāng)?shù)乃健?/p>

文獻(xiàn)信息

Tailoring nanoscale interfaces for perovskite–perovskite–silicon triple-junction solar cells

Jianghui Zheng, Guoliang Wang, Leiping Duan, Weiyuan Duan, Yang Jiang, Phoebe Pearce, Yijun Gao, Md Arafat Mahmud, Chwenhaw Liao, Tik Lun Leung, Jueming Bing, Zhuofeng Li, Zhenyu Sun, Xin Cui, Christopher Bailey, Marko Jankovec, Jianpeng Yi, Runmin Tao, Lijie Zheng, Baihong Zhu, Yue Sun, Nan Sun, Gaosheng Huang, Li Wang, Andreas Lambertz, Stephen Bremner, Xinqin Liao, Tingzhu Wu, Guohua Xie, Mathias Uller Rothmann, Marko Topi?, David R. McKenzie, Kaining Ding, Wei Li, Zhong Chen & Anita W. Y. Ho-Baillie

https://www.nature.com/articles/s41565-025-02015-x

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