北極星太陽能光伏網訊:單結鈣鈦礦太陽能電池的效率已經超過25%。進一步的提高效率，就得和工藝成熟的光伏器件相結合，才能進一步將效率推向SQ效率極限！目前，單結鈣鈦礦-矽疊層器件效率超過28%；單結鈣鈦礦-鈣鈦礦器件效率可達24.8%；機械堆疊-矽疊層器件效率超過28%。鑑於此，編者匯總了從2018年至今，關於各類鈣鈦礦疊層光伏器件的24篇重磅研究，以饗讀者！希望可以對你的研究有所啟發！
目錄：1）疊層鈣鈦礦光伏器件2）疊層鈣鈦礦-矽光伏器件3）疊層鈣鈦礦-CIGS光伏器件4）機械疊層鈣鈦礦-矽光伏器件
（來源：微信公眾號「納米人」ID：nanoer2015）
疊層鈣鈦礦光伏器件
1.EES：18％效率，鈣鈦礦疊層太陽能電池
瓦倫西亞大學Henk J. Bolink和塞維亞大學Hernán Míguez團隊報導一種光學優化的雙結CH3NH3PbI3-CH3NH3PbI3串聯鈣鈦礦太陽能電池，其匹配的短路電流最大化，同時寄生吸收最小化。真空沉積的方案實現堆疊的設計，並確保能級匹配度高和電荷複合小。優化的疊層器件的開路電壓高達2.30V。此外，這種串聯太陽能電池的效率大於18％，高於單個子電池的效率。低光電流值可以減少串聯電阻的損耗，這為實現高效大面積的模塊打開一扇大門。
2.Nat. Energy：21％效率，鈣鈦礦疊層太陽能電池
多結全鈣鈦礦串聯太陽能電池是高效率和低製造成本的下一代太陽能電池的最佳選擇。然而，缺乏高質量的低帶隙鈣鈦礦吸收層嚴重阻礙了高效穩定的全鈣鈦礦串聯太陽能電池的發展。託萊多大學的鄢炎發團隊報導一種通過摻入氯，增加混合錫-鉛低帶隙（~1.25 eV）鈣鈦礦晶粒和減少電子無序的鈍化策略。這使得厚吸收層（~750 nm）可以製造高效的低帶隙鈣鈦礦太陽能電池，這是高效串聯太陽能電池的必要條件。這種改進使得能夠製造雙端全鈣鈦礦串聯太陽能電池，其效率高達21％，穩態效率為20.7％。在連續照明下操作80小時後，效率保持在其初始性能的85％。
3.Nat. Commun.：22.7%效率！疊層鈣鈦礦電池.
黃勁松團隊研究發現，錫基鈣鈦礦電池中的電荷收集效率受到電子擴散長度的限制。在鈣鈦礦型前體中添加少量Cd3+會降低電子陷阱密度，從而產生2.72±0.15微米的長電子擴散長度。將窄帶隙鈣鈦礦薄膜的優化厚度增加到1000 nm。對於單結窄帶隙PSC和鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層電池，分別獲得了20.2和22.7％的效率。這項工作為增強窄帶隙鈣鈦礦的光電性能和開發鈣鈦礦-鈣鈦礦串聯太陽能電池的潛力提供了一種有前途的方法。
4.Nat.Energy:24.8％記錄效率! 雙結鈣鈦礦疊層太陽能電池
結合寬帶隙和窄帶鈣鈦礦來構建全鈣鈦礦串聯太陽能電池，為光伏（PV）功率轉換效率（PCE）的持續提高提供了途徑。但是，窄帶隙子電池的低性能降低了實際效率。
近日，南京大學朱嘉、譚海仁和Chunfeng Zhang團隊報導了一種減少Pb-Sn混合窄帶隙鈣鈦礦中Sn空位的策略，即使用金屬錫通過歸中反應將Sn4+(Sn2+的氧化產物）還原為Sn2+。因此，窄帶隙鈣鈦礦中的載流子擴散長度增加到3μm。對於1.22 eV的窄帶隙太陽能電池，研究人員獲得21.1％的PCE。此外，全鈣鈦礦串聯電池的認證PCE為24.8%（面積為0.049 cm2）；大面積全鈣鈦礦串聯電池（1.05cm2）的認證PCE為22.1％。串聯電池在連續光照下在最大功率點運行463 h後，仍可保持90％的性能。
疊層鈣鈦礦-矽光伏器件
5.EES: 21%效率！鈣鈦礦-矽疊層太陽電池
近年來，隨著鈣鈦礦太陽電池技術的發展，二端矽基太陽能電池為進一步提升現有矽太陽電池效率提供了廣闊的前景。現有報導的所有二端矽基太陽能電池均需要一層額外製備的中間層（隧穿或者複合層），中間層通常需要高真空如磁控濺射或者PECVD等製備，這樣便增加了製備的成本及難度。
澳大利亞新南威爾斯大學Anita W. Y. Ho-Baillie和鄭將輝團隊報導了一種簡單、無需中間界面層並能實現大面積製備的兩端同質結矽基鈣鈦礦太陽電池結構設計。基於此結構，獲得了在4 cm2有效面積下21%的效率；同時獲得了16 cm2有效面積下效率超過17%的疊層電池，為目前為止文獻報導的最大面積的二端鈣鈦礦-矽太陽電池。優化了MAPbI3層厚度，獲得了疊層太陽電池電流匹配的條件。通過TCAD電學模擬，研究了不同摻雜濃度下p++發射極與SnO2的複合情況，確定了最優的底矽電池p++發射極的摻雜濃度，並製備了優化後的矽太陽電池及疊層電池。採用複製玫瑰花瓣製備的PDMS減反薄膜應用在疊層太陽電池上，使得基於雙面拋光的底矽電池的疊層電池短路電流得到很大的提升。
6.Nano Energy：效率超過22%鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池
在所有串聯光伏（PV）技術中，鈣鈦礦矽疊層電池引起巨大關注。兩個子電池的光電流高度匹配是實現單片串聯電池的高效率的關鍵。北京大學的周歡萍團隊報導一種低溫解製備鈣鈦礦矽電池的工藝。高效鈣鈦礦/矽通過調節電學和光學性質來構造單片串聯電池電子傳輸層，優化帶隙和光密度鈣鈦礦吸收劑。在優化條件下，串聯電池的效率高達22.22％。在穩定性測試中，500小時後保持其原始效率的85％以上。
7.ACS Energy Lett.：23.1％效率！鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池
當鈣鈦礦電池是矽基串聯電池的頂層電池時，鈣鈦礦電池中的載流子傳輸層的紫外線誘導降解和寄生紫外線（UV）吸收會阻礙穩定性和電性能。新南威爾斯大學的鄭將輝和Anita W. Y. Ho-Baillie團隊通過在整體鈣鈦礦/矽串聯電池的正面應用結構化的聚二甲基矽氧烷（PDMS）膜解決了這些問題，該膜結合了下轉換材料（Ba，Sr）2SiO4：Eu2+微米螢光粉。該膜具有多種用途：對頂部電池進行減反射控制，將矽電池中的光捕獲，以及吸收紫外線並以高量子產率重新發射綠光。當將其應用於4 cm2的單結鈣鈦礦矽串聯太陽能電池上時，功率轉換效率從20.1％（無防反射膜的基線器件）提高到22.3％（有防反射膜但無螢光體的器件）和23.1％（具有向下移動的併入磷光體的減反射膜的裝置）。迄今為止，有器件實現了23.0％的穩態效率和81％的高填充因子，這是迄今為止使用同質結矽底部電池的整體鈣鈦礦/矽串聯的最高值。而且，連續的紫外線照射試驗的結果表明，該複合降檔抗反射膜大大增強了串聯裝置的紫外線穩定性。這項工作展示了一種簡單實用的方法，可以提高大面積鈣鈦礦/矽的效率和穩定性。
8.Sci. Adv.：24.1%效率，鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池.
提高矽（Si）光伏器件的功率轉換效率是降低太陽能發電成本的關鍵因素。澳大利亞國立大學Kylie R. Catchpole和弗林德斯大學Nathan S. Lewis團隊設計出一種雙結鈣鈦礦/Si疊層太陽能電池。通過將鈣鈦礦電池直接放置在Si底部電池的頂部，以增加Si電池的方式輸出。研究人員製備了同質結和鈍化接觸異質結的鈣鈦礦/Si疊層太陽能電池，並通過減少器件中其他地方的光學損耗，分別獲得了22.9％和24.1％的效率。該研究突出了新興鈣鈦礦光伏發電的潛力，通過與商業化的Si太陽能電池的直接集成，以實現低成本，高效率的疊層太陽能器件。
9.AEM: 25.2%效率！大面積的鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池
鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池具有潛力，可以將電池效率提高到超過晶體矽（Si）單結極限。但是，與透明導電氧化物和鈣鈦礦吸收層相比，Si的相對較大的光學折射率會導致單片（兩結）器件中電池內部連接處的明顯反射損失。因此，光管理對於提高矽底部電池的光電流吸收至關重要。牛津大學Henry J. Snaith團隊通過使用由納米晶氧化矽組成的光學中間層，可以顯著減少在平坦矽襯底上處理的串聯電池中的紅外反射損失。結果表明，110 nm厚的界面層（折射率為2.6（800nm））在矽底部電池中產生1.4 mA cm-2的電流增益。在AM1.5G輻照下，活性面積1.1 cm2的鈣鈦礦/矽單片串聯電池表現出頂部電池+底部電池的總電流密度為38.7 mA cm-2，並且認證的穩定效率高達25.2％。Infrared light
10.Joule：25.4%效率，鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池！
有機-無機雜化滷化物鈣鈦礦是有希望的半導體配對由於其溶液可加工性，在串聯光伏電池中使用矽和可調諧的互補帶隙。
黃勁松團隊提出，在鈣鈦礦前體中引入MACl和MAH2PO2兩種添加劑可以顯著改善鈣鈦礦的寬帶隙（1.64-1.70 eV）和薄膜形貌，電壓損失僅為0.49-0.51 V。MACl可以增大晶粒尺寸，而MAH2PO2通過鈍化鈣鈦礦晶界，減少非輻射複合。在鈣鈦礦/矽單片串聯太陽能電池中，頂部電池的1.64 eV，這使得兩個子電池之間的光電流匹配度高。最終，串聯開路電壓高達1.80 V，效率高達25.4％。
11.EES：25.5%效率！鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池
由於其優異的光電性能和可調諧的帶隙，有機-無機金屬滷化物鈣鈦礦材料非常適合串聯太陽能電池。為了進一步提高單片鈣鈦礦/矽串聯器件的效率，有效的光管理（包括紋理界面）是至關重要的。德國HZB研究中心Marko Jošt和Steve Albrecht團隊通過在前側施加的紋理光管理箔（LM），製備出一種高效的單片鈣鈦礦/矽異質結串聯太陽能電池，效率高達25.5％。通過構建光學模型，能夠確定器件中的損耗，並使用其進行光學優化和估計具有不同位置紋理的多種結構的效率。模擬結果顯示，在雙面紋理化矽晶片頂部，厚度為1000 nm，帶隙為1.66 eV的鈣鈦礦可以實現32.5％的效率。
12.Science：25.7%效率！高效鈣鈦礦矽-串聯太陽能電池
堆疊具有較小帶隙的太陽能電池以形成雙結膜，這有可能克服光伏電池的單結Shockley-Queisser極限。固溶鈣鈦礦的快速發展帶來了鈣鈦礦單結效率超過25％。但是，該工藝尚未能夠與行業相關的紋理化晶體矽太陽能電池進行單片集成。多倫多大學Edward H. Sargent 和阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf團隊報導了將溶液處理的微米級鈣鈦礦頂部電池與完全紋理化的矽異質結底部電池相結合的疊層電池。為了克服微米級鈣鈦礦中電荷收集的挑戰，將矽錐體底部的耗盡寬度增加了三倍。此外，通過將自限鈍化劑（1-丁硫醇）錨固在鈣鈦礦表面上，增加了擴散長度並進一步抑制了相偏析。這些綜合的增強功能使鈣鈦礦矽串聯太陽能電池的獨立認證效率達到了25.7％。這些器件在85°C下進行400小時的熱穩定性測試後以及在40°C下在最大功率點跟蹤400小時後，其性能損失可忽略不計。
13.Joule: 26％效率！鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池
將鈣鈦礦整合到紋理化的矽上可提供通往30％串聯太陽能電池的途徑。然而，從在典型的金字塔高度為3–10 μm的紋理化矽上溶液法沉積0.5–1μm厚的鈣鈦礦層仍然是一個巨大挑戰。
北卡羅來納大學教堂山分校的黃勁松，Bo Chen和亞利桑那州立大學Zhengshan J. Yu, Zay C. Holman團隊提出了一種新的疊層架構，該架構可對鈣鈦礦進行大面積刮塗製備，以保證在金字塔形的矽上連續沉積小於1 μm鈣鈦礦薄膜。這些金字塔的粗糙程度可以有效地散射矽中的光，平滑的表面可以滿足對鈣鈦礦薄膜進行固溶加工。氮氣輔助刮刀工藝（1.5 m/min的速度沉積）製備空穴傳輸層和平坦化鈣鈦礦層，這可以完全覆蓋紋理化矽片。通過在疊層的頂部添加紋理化的光散射層以減少前表面反射率，研究人員獲得了鈣鈦礦/矽串聯電池，其對紋理化的矽的效率為26％。
14.Science：26.7％效率！陰離子工程助力高效穩定鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池
鈣鈦礦矽串聯太陽能電池的效率受到了寬帶隙的鈣鈦礦頂部電池的限制。NREL的Kai Zhu，Dong Hoe Kim，首爾大學Jin Young Kim,和韓國科學技術院Byungha Shin團隊開發了一種高性能，穩定的鈣鈦礦太陽能電池。
鈣鈦礦其帶隙約為1.7eV。對應的電池獲得了20.7%效率。在連續照明1000小時後，對應的電池可保留其初始PCE的80％以上。系統地研究了陰離子工程和苯乙銨（PEA）的2D鈍化層的電特性和電學特性。作為疊層電池的頂部電池，製備的單片鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池獲得26.7％的效率，具有優異的穩定性。
15. Science：27%效率！高效鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池
寬帶隙金屬滷化物鈣鈦礦有望將半導體與串聯太陽能電池中的矽配對，以追求以低成本實現大於30％的功率轉換效率（PCE）的目標。但是，寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池從根本上受到了光致相分離和低開路電壓的限制。科羅拉多大學Michael D. McGehee和中科大徐集賢團隊報導了使用三滷化物合金（氯，溴，碘）可有效地形成1.67電子伏特寬帶隙鈣鈦礦頂部電池，以調整帶隙並穩定半導體在光照下的情況。通過增加溴的碘含量來縮小晶格參數，從而提高了氯的溶解度，從而使光子的壽命和電荷的遷移率提高了2倍。即使在100陽光照射強度下，薄膜中的光誘導相偏析也得到抑制，並且在60°C的最大功率點（MPP）運行1000小時後，半透明頂部電池的降解小於4％。2）通過將這些頂部電池與矽底部電池集成在一起，在面積為1 cm2的兩端單片式串聯中實現了27％的PCE。
16.ACS Energy Lett.：三結鈣鈦礦/鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池
高效三結太陽能電池目前由沉積方法昂貴的III-V半導體組成。鈣鈦礦/鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池因為不需要外延生長，所以是一個更低成本的替代方案。
瑞士洛桑理工學院Jérémie Werner團隊證明可以使用紋理化的矽底部電池製備電池以獲得最佳光管理。通過改變鈣鈦礦吸收層組成來實現它們製造步驟的兼容，結電池實現高達2.69 eV的電路電壓,14%效率。
17.Joule：23.5%效率，鈣鈦礦-矽三節串聯太陽能電池
韓國首爾大學Jin Young Kim團隊通過採用複合層作為附加接觸來調控單片鈣鈦礦/Si串聯電池，提出了對串聯電池進行全面表徵的有效策略，最大限度地降低了疊層器件的複雜性。為了獲得有效的器件，研究人員進行了光學工程和帶隙調諧，以減少反射損耗並實現電流匹配。具有MAPb（I0.95Br0.05）3的串聯電池顯示出23.5％效率，並且在暗態條件下2500小時後，效率仍保持初始值的97％。
疊層鈣鈦礦-CIGS光伏器件
18. Joule:25.9%效率！高效鈣鈦礦-CIGS疊層太陽能電池
疊層太陽能電池包括窄帶和寬帶隙吸光層，是實現超高效率和低製造成本最佳光伏器件之一。對於窄帶隙CIGS薄膜底部電池而言，高效的多晶寬帶隙頂部電池的開發仍是一個挑戰。美國國家可再生能源實驗室的Kai Zhu團隊採用PEAI和Pb（SCN）2添加劑，製備了高效寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池（1.68 eV（FA0.65MA0.20Cs0.15）Pb（I0.8Br0.2）3），實現了20％的效率。PEA+和SCN-產生的協同效應，不僅提高了鈣鈦礦膜質量和結晶度，減少了過量PbI2的形成，而且使得薄膜的缺陷密度更低和提高載流子遷移率（~47 cm2V-1s-1）和壽命（~2.9 μs）。當通過這種方法製造的半透明1.68 eV鈣鈦礦頂部電池與1.12 eV CIGS底部電池疊層後，4個子電池串聯的電池效率可達25.9％。
19.EES: 23.26％效率！鈣鈦礦-CIGS疊層太陽能電池
德國亥姆霍茲柏林鈣鈦礦疊層器件研究中心AmranAl-Ashouri，Artiom Magomedov和Steve Albrecht等人在鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中引入了兩個新的空穴選擇觸點界面的分子。這些分子基於具有膦酸錨定基團的咔唑基團，並且可以在各種氧化物上形成自組裝單層（SAMs）。除了最小的材料消耗和寄生吸收，自組裝過程還可以通過簡單的過程控制來保形覆蓋任意形成的氧化物表面。SAM設計為在鈣鈦礦吸收體上形成能量匹配的界面，而不會產生非輻射損耗。PSC的效率高達21.1％。此外，製備了單結CIGSe/鈣鈦礦串聯太陽能電池。保形覆蓋允許實現其沉積在粗糙的CIGSe表面。在1 cm2的有效面積上具有23.26％的認證效率。SAM的簡單性和多樣化的基底兼容性可能有助於進一步將鈣鈦礦光伏技術發展為低成本，廣泛採用的太陽能技術。
20.Science:22.43%效率！鈣鈦礦-CIGS疊層太陽能電池
疊層電池的界面連接層對整個電池性能起到關鍵性決定作用，既要保證有效的電學連接，又要保證較高的光學透過性。
UCLA的楊陽團隊發展了一種高效的鈣鈦礦/Cu(In,Ga)Se2兩節疊層鈣鈦礦太陽能電池。有機無機雜化鈣鈦礦作為前電池，CIGS作為後電池。通過納米尺度的界面工程化處理，控制CIGS的表面粗糙度，以及應用重度摻雜的有機空穴傳輸層PTAA，獲得了最佳界面。疊層電池實現了22.43%的效率，未封裝的電池在標準光輻照下經過500小時老化測試後，效率仍可保持90%左右。
機械堆疊鈣鈦礦-矽光伏器件
21.Nat. Commun.：28.2％效率！機械堆疊的鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池
基於金屬滷化物鈣鈦礦子電池的疊層太陽能電池提供了超過單結極限的功率轉換效率（PCE）的途徑。然而，由於光子收集效率低下，據報導，疊層太陽能電池的PCE值目前仍低於其潛力。
多倫多大學Edward H. Sargent團隊通過保持鈣鈦礦薄膜的光滑形態來增加光程長度，同時使用一種增強溶劑萃取的方法來增加鈣鈦礦厚度。這些薄膜的載流子收集受到電子擴散長度不足的限制。進一步發現，添加路易斯鹼會降低陷阱密度，並使電子擴散長度增加到2.3 μm，從而使1.63 eV半透明鈣鈦礦電池的平均PCE達到19％，平均近紅外透射率為85％。
鈣鈦礦頂部電池與溶液處理的膠體量子點/有機雜化底部電池堆疊後產生的PCE為24％；將鈣鈦礦電池與矽底部電池耦合時（機械堆疊），PCE為28.2％。
22.Joule：效率超過26％!機械堆疊鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池
鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池是將市場領先的晶體矽技術升級到超出其理論極限的有吸引力的途徑。與四端子架構相比，兩端子架構可降低工廠成本。然而，將鈣鈦礦型太陽能電池直接單片處理到記錄效率高的非晶/晶體矽異質結電池正面的微米級紋理上是有挑戰性的，這限制了頂部電池的高溫處理和固溶處理。為了解決這些問題，羅馬第二大學Aldo Di Carlo和卡薩西亞研究中心Mario Tucci 團隊提出了一種機械堆疊的兩端子鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池。優化的子電池是獨立製造，隨後通過使介觀的鈣鈦礦頂部電池的背面電極與紋理化和金屬化的正面接觸而耦合矽底部電池的接觸。通過最小化光損耗（如通過設計空穴選擇層/背面接觸結構，並為鈣鈦礦頂部電池使用石墨烯摻雜的介孔電子傳輸層實現的），該級串聯器件顯示出26.3％的效率（穩定的25.9％）。有效面積為1.43 cm2。
23.AFM:27％效率!機械堆疊鈣鈦礦-矽太陽能電池
多結/串聯太陽能電池由於不受肖克利-奎伊瑟極限（Shockley-Queisser）限制，受到了研究人員的極大的關注。鈣鈦礦太陽能電池具有高功率轉換效率（PCE）和相對較低的電壓損耗，因此是多結/串聯電池中頂部電池的理想候選者。
近日，大連化學物理研究所的劉生忠和陝西師範大學Dong Yang團隊將半透明鈣鈦礦器件與異質結矽太陽能電池相結合實現了高達27％!轉換效率的光伏器件。研究人員將夾在MoO3層之間的金納米納米網設計為透明電極，由於MoO3的大表面張力有效地改善了金的潤溼性，產生了超薄的金納米網層，這不僅保證了出色的導電性，而且還保證了極好的光學透明度，這對於多結/串聯太陽能電池來說尤其重要。MoO3頂層減少了金層的反射，從而進一步提高了透光率。基於半透明鈣鈦礦電池顯示出了18.3％的效率，是目前報導的最高效率。當半透明鈣鈦礦器件與23.3％PCE的異質結矽太陽能電池機械堆疊時，其綜合效率為27.0％，高於兩個子電池。在提高半透明和多結/串聯器件效率方面的突破可以幫助突破肖克利-奎塞爾極限。
24.AEM: 27.7效率！四結鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池
澳大利亞國立大學The Duong和Kylie Catchpole團隊用大體積的烷基銨陽離子對3D鈣鈦礦進行表面塗層處理，可鈍化表面缺陷，並改善鈣鈦礦太陽能電池的性能，而將這些大體積陽離子摻入3D結構會對結晶度產生負面影響，並降低器件性能。使用表面塗層策略，四結鈣鈦礦-矽串聯可通過指狀背接觸矽底部電池達到27.7％的效率。
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