基于钙钛矿组分调控策略制备高效钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池

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基于有机无机杂化钙钛矿的太阳能电池(PSCs)在短时间内获得了非同凡响的发展成果,目前PSCs的光电转换效率已经达到了25.7%。然而随着单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)愈发接近Shockley-Queisser极限,以及人们对于更高效率的追求与探索,钙钛矿叠层太阳能电池逐渐进入研究者的视野。晶体硅太阳能电池是一种已经完全产业化的高效稳定的且同样几乎已经达到理论极限的电池,其带隙较低,生产工艺完善,且有着能作为基底的特点正好与高带隙、低成本的钙钛矿太阳能电池互补以达到更高的光电转换效率。不幸的是,传统钙钛矿太阳能电池中的光吸收层通常是通过反溶剂法或者是两步旋涂法制备得到的,这意味着传统钙钛矿太阳能电池对基底表面形貌的要求非常严格,通过旋涂法根本无法在过于粗糙的基底表面形成优秀的薄膜。同时,产业化的晶体硅太阳能电池的制备过程中第一步就是清洗制绒,表面形成的微米级高度的金字塔显然不利于钙钛矿薄膜的旋涂制备。因此,我们采用了真空辅助两步法用以解决钙钛矿薄膜在绒面上的沉积问题,即先在真空设备中通过气相沉积制得无机层,再在手套箱中通过旋涂法将有机铵溶液与无机层结合反应,最后通过热退火得到高质量的钙钛矿薄膜。这种制备方法保留了金字塔对于光吸收的优势并适应产业化晶体硅底电池。然而在底电池电压相同的情况下,通过真空辅助两步法制备的钙钛矿/晶体硅(绒面)叠层太阳能电池的开路电压会比通过反溶剂法制备的钙钛矿/晶体硅(抛光面)叠层太阳能电池的开路电压低,这一特点在钙钛矿单结太阳能电池中也表现了出来。我们首先在钙钛矿单结太阳能电池中确定了空穴传输层衬底的选择、在真空辅助两步法的优化过程中无机层的厚度及比例、有机铵溶液的浓度及组分的选取和比例、热退火过程环境的湿度等因素对钙钛矿薄膜结晶的影响。然后通过筛选选取了噻吩类卤化物作为掺杂物加入有机铵溶液以提升电池的开路电压。最后在钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池上分别做了验证及进一步的优化。对比发现,在有机铵溶液中掺入的噻吩类卤化物会直接作用于钙钛矿的表面,钙钛矿薄膜晶粒增大,同时钝化了晶界处的缺陷,开路电压得到明显提升。结果表明,经过工艺优化和缺陷钝化作用后的钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池的效率可达到27.01%。
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