鈣鈦礦的帶隙可以通過用溴或氯替換碘陰離子來調節，然而過多的溴會使鈣鈦礦性能不穩定。本文引入硫氰酸鹽與碘的混合，從而開發了2D/3D混合寬帶隙鈣鈦礦的結構和提高光電性能。基於此，鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池的PCE高達26.7%。
最大限度地提高鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池的功率轉換效率(PCE)，需要一個具有寬帶隙高性能、穩定的鈣鈦礦電池。近日， 韓國科學技術高等研究院的ByunghaShin教授，首爾大學Jin Young Kim教授， 美國國家可再生能源實驗室（NREL）朱凱和Dong Hoe Kim（通訊作者）合作開發了一種穩定的鈣鈦礦型太陽能電池，其帶隙約為1.7eV，其峰值PCE達到了20.7％，並在連續使用1000小時後仍保持了80％的功率轉換效率。同時，基於苯乙銨（PEA）的二維（2D）添加劑的陰離子工程對於控制基於PbI2框架的二維鈍化層的結構和電學性能至關重要，從而將單片寬間隙鈣鈦礦與矽串聯獲得的太陽能電池展現出26.7％的效率。相關論文以題為「Efficient, stablesilicon tandem cells enabled by anion engineered wide-bandgap perovskites」於4月10日發表在Science上。
論文連結
https://science.sciencemag.org/content/368/6487/155
鈣鈦礦光伏(PV)技術令人印象深刻，目前單結器件的效率已經達到了25%。其中，最具發展前途的太陽能裝置由頂部鈣鈦礦電池和底部矽電池組成，以達到超越Shockley-Queisser極限的超高效率。大多數關於鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池的研究都具有1.5~1.6eV的鈣鈦礦帶隙，同時矽的帶隙固定為1.1eV。然而鈣鈦礦的帶隙可以進行改進，以實現最理想的1.7eV帶隙。
雖然之前已有報導接近於1.7eV帶隙，但所展現出的轉化效率（PCE）仍小於25%。通常情況下，鈣鈦礦的帶隙可以通過（部分）用溴或氯替換碘陰離子來調節，然而過多的溴會使鈣鈦礦性能不穩定。人們一直都在探索2D相的用途，將長鏈分子分隔的片狀滷化鉛八面體添加到鈣鈦礦中，用作鈍化劑以減少化學反應性，從而有助於改善鈣鈦礦的穩定性和性能。
最近的研究大多集中在2D添加劑的陰離子的設計上，本文作者引入硫氰酸鹽（SCN）並與碘的混合，從而開發了2D/3D混合寬帶隙（1.68eV）鈣鈦礦的結構和提高光電性能。SCN的使用使得設備電流密度提高，且碘能夠提高電壓。同時通過分析原子分辨透射電鏡（TEM），證明了2D添加劑的陰離子工程可以控制二維鈍化層的電子、電荷輸運特性和物理位置。基於此，鈣鈦礦電池效率為20.7%，並在連續使用1000小時後仍保持初始效率的80％。更加重要的是，鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池的PCE高達26.7%。
圖1.不同2D添加劑的鈣鈦礦太陽能電池照明下的器件性能和穩定性。（A） 具有代表性的不同添加劑鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；（B）在2D添加劑中不同比例SCN的PV參數的統計；（C）最佳寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；（D）鈣鈦礦器件在光照下的長循環穩定性。
圖2. 鈣鈦礦薄膜的結構性質。（A-D）不同2D添加劑形成的鈣鈦礦薄膜的平面SEM圖像和XRD；（E-G）PEA(I0.25SCN0.75)的TEM圖像；（H-K）2D相D的原子尺度STEM圖像和原子結構示意圖。
圖3.不同比例的2D添加劑與3D鈣鈦礦前驅體薄膜的XRD。
圖4.鈣鈦礦薄膜的電學性質及2D鈍化層平面缺陷的觀察。（A）鈣鈦礦薄膜的光電導瞬態；（B）光電導與激發強度的關係；（C）ITO/鈣鈦礦/Au的J-V曲線；（D-F）導體原子力顯微鏡圖像；（G） HAADF圖像顯示在PEA(I0.25SCN0.75)膜中2D相內有缺陷區域的形成。
圖5.2T鈣鈦礦/矽串聯器件的結構和光伏性能。（A）2T鈣鈦礦/矽串聯結構的橫截面的SEM圖像；（B）穩定功率輸出的鈣鈦礦/矽串聯器件的J-V曲線；（C）串聯器件的外量子效率（EQE）和1-R光譜。
總之，本文中開發的具有帶隙約為1.7eV的鈣鈦礦材料，同時與矽太陽能電池結合，從而得到了性能優異的鈣鈦礦/矽串聯電池。可以預見的是，進一步優化其效率有望達到30%。（文：Caspar）
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