全钙钛矿串联太阳能电池，效率高达24.8％

中国南京大学和加拿大多伦多大学的一组研究人员最近制造了全钙钛矿串联太阳能电池(PSC)，这是一种具有关键钙钛矿结构成分的太阳能电池。在Nature Energy的一篇论文中介绍的这些新太阳能电池可实现卓越的效率，优于其他现有解决方案。

该研究的首席研究员Hairen Tan说：“这项研究工作的最初想法是制造比单结钙钛矿太阳能电池更高效的全钙钛矿串联太阳能电池。”

钙钛矿是与钙钛矿具有相同晶体结构的一组矿物，钙钛矿是一种黄色，棕色或黑色的矿物，主要由钛酸钙组成。在过去的几年中，世界各地的多个研究团队一直在尝试使用这种材料开发太阳能电池，通常利用宽带隙(1.8 eV)或窄带隙(1.2 eV)的钙钛矿。

制造全钙钛矿串联太阳能电池，从而将宽禁带和窄禁带钙钛矿组合在一起，可以产生比单结电池更高的功率转换效率(PCE)，而不会增加制造成本。然而，为了构建这种新型的太阳能电池，研究人员需要找到一种方法来增强每个子电池的性能，同时还要将宽带隙和窄带隙电池进行协同集成。

“不幸的是，以前报道混合的Pb-Sn窄带隙钙钛矿太阳能电池都表现出低的效率(PCE18-20%)和低的短路电流密度(j SC 28-30毫安/厘米2)，” Tan说。“它们远低于其潜力，也低于最佳的基于铅的单结钙钛矿电池的性能。”

在先前开发的窄带隙钙钛矿太阳能电池中观察到性能差的主要原因是其关键成分之一，即Sn 2+，容易氧化成Sn 4+。结果，所得的细胞膜显示出高的陷阱密度和短的载流子扩散长度。在研究中，Tan和他的同事们希望找到可以帮助克服这一局限性的解决方案。

Tan说：“我们这项工作的主要目标是启动一种策略，以扩大窄带隙钙钛矿型太阳能电池的扩散，从而获得性能更好的串联式太阳能电池。Sn空位通常是由于在混合的Pb-Sn钙钛矿中掺入Sn 4+(Sn 2+氧化产物)引起的。我们认为，一种防止前体溶液中Sn 2+氧化的新策略可以大大改善电荷载流子的扩散长度。”

Tan和他的同事介绍了一种新的化学方法，该方法最终可以提高PSC的性能。该方法基于补偿反应，该反应导致混合的Pb-Sn窄带隙钙钛矿的电荷载流子扩散长度显着提高。

先前提出的方法均以亚微米扩散长度为特征，这会损害电池的整体效率。另一方面，Tan和他的同事在他们的工作中实现了3μm的扩散长度。一项非凡的成果，使打破性能记录的Pb-Sn电池和全钙钛矿串联电池成为可能。

Tan解释说：“我们通过开发一种锡还原的前体溶液策略实现了这一目标，该策略通过前体溶液中的歧化反应使Sn 4+(Sn 2+的氧化产物)返回到Sn 2+。”

含锡钙钛矿的氧化一直是开发具有钙钛矿成分的太阳能电池的关键问题，因为它会负面影响其性能，从而阻碍其在各种环境中的应用。Tan和他的同事们采用的新化学方法为使用含锡窄带隙钙钛矿制造串联太阳能电池提供了另一种途径，从而使电池更稳定，更高效。

他补充说：“我们的工作还表明，含锡钙钛矿的电子质量可以与已证明其效率和晶体硅电池相似的卤化铅钙钛矿的电子质量相媲美。毫无疑问，我们的串联方法最终将为我们提供一种非常便宜但高效的太阳能设备的途径。”

在他们的研究中，Tan和他的同事使用他们的化学方法制造了整体式钙钛矿串联电池，然后测试了它们的性能。他们发现，其串联电池获得了非常好的效率，小面积设备(0.049 cm 2)约24.8 %，大面积设备(1.05 cm 2)约22.1%。

此外，在完全的一次阳光照射下，电池在最大功率下运行400小时以上后，仍可保持90%的性能。将来，这组研究人员介绍的方法可能会为开发更高效，更具成本效益的太阳能设备提供信息。

Tan说：“我们现在计划进一步将全钙钛矿型串联太阳能电池的功率转换效率提高到28%以上。实现这一目标的第一种可能方法是减少宽带隙钙钛矿太阳能电池中的光电压损失。另一种可能性是减少隧道复合结中的光损失。”