浙江大学杨德仁院士团队，最新Nature Photonics！

织构硅上嵌入硫氰酸铜的钙钛矿高效稳定的钙钛矿-硅串联太阳能电池

单片钙钛矿/硅串联太阳能电池的功率转换效率（PCE）已超过33%，展示出其在高性能光伏应用中的潜力。当前的先进电池多采用在p-i-n结构中钙钛矿位于顶部的设计，在钙钛矿和氧化铟锡（ITO）层之间设有连续空穴传输层（HTL），进行向阳面电子收集。为实现叠层电池的商业化，纹理化硅底电池已成为研究重点。然而，钙钛矿在微米级硅纹理上的沉积依然面临工艺挑战，通常需更厚的钙钛矿层来覆盖表面纹理。此外，不同HTL材料对钙钛矿的附着和性能稳定性具有重要影响，但也带来复杂的界面管理问题。举例来说，NiOx尽管具有良好的保形性，但易与钙钛矿界面发生退化；PTAA在纹理基板上不保形且疏水性强，影响钙钛矿层的均匀沉积。自组装单分子层（如2PACz和Me-4PACz）在提升钙钛矿润湿性方面表现优异，但仍需克服规模化生产的再现性问题。直接在透明导电基板上沉积钙钛矿可能提供一种简化、可扩展的方案，兼容粗糙表面，但缺乏HTL可能引起能级不匹配和电荷传输障碍。因此，亟需开发一种简化且高效的制造工艺，以兼顾高效空穴收集和良好的器件性能。

在这里，浙江大学杨德仁院士、余学功教授联合苏州大学张晓宏教授、杨新波教授、阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf教授通过硫氰酸铜（I）和钙钛矿的共沉积来解决这些挑战，其中通过嵌入的硫氰酸铜（I）同时实现有效的钙钛矿晶界钝化和有效的空穴收集，从而形成局部空穴收集接触。制造的单片钙钛矿/硅串联器件在 1 cm2 面积器件上实现了 31.46% 的经认证功率转换效率。除了良好的再现性和可扩展性之外，此串联电池还表现出出色的稳定性，在 45°C 下进行约 1,200 小时的最大功率点跟踪后，其初始功率转换效率仍保持在 93.8%，在 1000 小时以上的湿热测试后（85°C 和 85% 相对湿度），仍保持在 90.2%。

相关成果以“Efficient and stable perovskite-silicon tandem solar cells with copper thiocyanate-embedded perovskite on textured silicon”为题发表在《Nature Photonics》上，第一作者为Chenxia Kan,Pengjie Hang,Shibo Wang, Biao Li为共同一作。

杨德仁院士、余学功教授、张晓宏教授、杨新波教授和Stefaan De Wolf教授

CuSCN嵌入钙钛矿

作者研究了在双面纹理SHJ底部电池的ITO层上沉积CuSCN嵌入钙钛矿薄膜的可行性。通过SEM和AFM分析硅表面形态，发现2PACz和PTAA的疏水性会导致钙钛矿薄膜断裂，覆盖率不足，主要因去湿效应在凹槽处产生裂纹（图1a）。相比之下，嵌入CuSCN的钙钛矿薄膜表现出良好的覆盖率。统计显示，在CuSCN和NiOx底层上沉积的薄膜具有较高的视觉完整性（图1b），而2PACz和PTAA底层薄膜的缺陷率更高。嵌入CuSCN的钙钛矿晶粒尺寸超过1μm，结晶度优良，光致发光（PL）和瞬态光致发光（TrPL）实验表明CuSCN嵌入薄膜的非辐射复合减少，发光增强，寿命超过2μs（图1c和图1d）。进一步分析表明CuSCN薄膜中空穴传输速度更快（图1e）。

图 1：钙钛矿薄膜的特性

作者对钙钛矿薄膜中CuSCN的分布和作用进行了实验和理论研究，发现CuSCN在钙钛矿晶界局部富集，并显著改善薄膜覆盖率（图2a）。TOF-SIMS结果表明，SCN-在薄膜纵向逐渐减少（图2d），而CuSCN的嵌入促进了更大的晶粒尺寸。DFT计算显示CuSCN在富含FAI和PbI2的表面上分别与I和Pb2+结合，形成稳定的界面结构（图2e）。光致发光（PL）实验表明，CuSCN增强了发光强度，减少了非辐射复合。三维仿真模型表明，嵌入CuSCN的局部空穴收集结构可提升单结PSC的效率（图2f）。制备的嵌入CuSCN的PSC在纹理硅基板上达到了20.27%（正向扫描）和20.01%（反向扫描）的高PCE，表现出良好的光电性能（图2h）。

图2：CuSCN在钙钛矿中的分布和作用

集成到单片钙钛矿/硅串联中

作者验证了在单结器件中嵌入CuSCN的局部空穴收集结构的有效性后，将其集成至单片串联电池中（图3a），并观察到其在钙钛矿晶界充当有效的局部空穴收集接触和缺陷钝化剂。CuSCN嵌入串联器件的PCE达到31.46%，稳态效率为31.02%，这是基于串联的最高效率（图3c），并表现出高重现性（图3f）。相较于其他HTL材料（NiOx、PTAA和2PACz）的底层串联，CuSCN嵌入方法具有更好的性能和稳定性。进一步研究了CuSCN嵌入工艺的可扩展性，通过制造大面积的串联电池，获得了28.14%的孔径PCE（图3g）。此外，作者探索了基于共沉积策略的刀片涂覆方法，制造出4cm²器件，效率为25.23%（图3i）。这些结果显示了CuSCN嵌入技术在实现大规模高效钙钛矿/硅串联太阳能电池中的应用潜力。

图 3：CuSCN 嵌入串联的集成和特性

作者对器件耐久性进行了研究，以评估不同HTL的钙钛矿薄膜在室温N2环境下的光致发光响应（图4a）。CuSCN嵌入的薄膜在780 nm处的相分离峰位置变化最小，表明其相稳定性更佳。在封装串联器件的稳定性测试中，嵌入CuSCN和2PACz的器件在1200小时跟踪后保留了93.8%和92.0%的初始效率（图4c），显著优于NiOx和PTAA底层器件。85°C下的热稳定性测试显示，CuSCN嵌入串联器件在400小时后保持91%的初始PCE，表现最佳（图4d）。此外，作者按照IEC 61215:2021协议进行了湿热测试（85°C、85%湿度），发现CuSCN和2PACz串联的初始效率分别保留90.2%和87.4%（图4e, f），这表明CuSCN和2PACz钝化剂有助于提升器件在高温高湿条件下的稳定性。相比之下，NiOx和PTAA底层器件在500小时内快速失效。

图 4：串联装置的稳定性

小结

总体而言，共沉积 CuSCN 嵌入钙钛矿为钙钛矿/硅串联材料的商业化提供了一种方便可行的方法，需要高性能、优异的稳定性、优异的再现性和可扩展性，且增加的成本可以忽略不计。

来源：高分子科学前沿

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