研究背景
全钙钛矿叠层太阳能电池凭借其能够突破单结太阳能电池效率极限和溶液加工优势，已成为下一代光伏技术的代表。载流子复合层(CRL)作为串联器件的核心组件，不仅承担着从顶/底子电池中高效提取电子/空穴的关键任务，更需实现电子/空穴的高效率复合以形成光学/电学的耦合。目前基于ALD-SnOX/贵金属(如Au)作为主流的复合CRL虽能满足高效电荷复合需求，却面临两大挑战：原子层沉积(ALD)工艺对氧压、温度等参数的高度敏感性导致器件良率波动;稀有金属的使用大幅推升制造成本。因此，开发兼具高稳定性、低成本与强溶剂阻隔的新型CRL，是突破全钙钛矿叠层电池商业化瓶颈的重要科学技术问题。
研究内容
近日，暨南大学郭飞研究员/麦耀华教授团队提出一种新型无ALD、无贵金属电荷复合层架构。研究通过设计Cr/ITO/PEDOT:PSS三层复合结构，利用热蒸发制备的薄铬层结合ITO/PEDOT协同作用，实现强极性溶剂环境下的界面以及底部钙钛矿的完整性保护。其中超薄铬层有效隔绝ITO溅射的高能离子损伤，ITO层提供高效载流子复合中心，三层的功函数匹配形成低阻欧姆接触，显著优化载流子复合动力学路径并且实现强溶剂阻隔作用。该策略显著提升叠层界面的机械稳定性与电学耦合效率，最终基于该CRL制备的全钙钛矿叠层太阳能电池获得26.56%的效率(第三方测试26.17%)，填充因子高达80.6%，并在1300小时N2环境老化后保持91.1%的初始效率。
工作亮点
新型无ALD/无贵金属CRL架构：通过Cr(5nm)/ITO(15nm)/PEDOT:PSS(20nm)三层协同设计，以低成本铬层替代贵金属并规避ALD工艺限制，同步实现工艺简化与成本控制。
三层协同防护机制：Cr层隔绝溅射离子损伤，ITO层提供高效复合位点，PEDOT在作为空穴传送层同时起到溶剂阻隔作用，三层协同作用实现高效电学和机械耦合。
高效器件性能：基于无ALD、无贵金属电荷CRL的全钙钛矿叠层太阳能电池实现创记录的26.56%的功率转换效率，未封装器件在1300小时N2环境老化后保持91.1%的初始效率。
Cr/ITO/PEDOT:PSS溶剂阻隔试验的XRD谱图与薄膜图像
Cr/ITO/PEDOT:PSS电荷复合层的光电特性与全钙钛矿叠层器件性能表征
无ALD电荷复合层全钙钛矿叠层电池效率演进对比图
器件工艺流程
器件结构：
glass/ITO/Me-4PACz/Cs0.2FA0.8Pb(I0.6Br0.4)3/EDADI/C60/Cr/ITO
/PEDOT:PSS/FA0.6MA0.3Cs0.1Pb0.5Sn0.5I3/EDADI/C60/ALD-SnO2/Ag
1.采用2.5 cm×2.5 cm规格的图案化ITO玻璃基底，依次使用洗涤剂、去离子水和异丙醇进行超声清洗(各15分钟)，plasma处理10 min。
2.配制10mg/mL的NiOX水溶液，以3000 rpm转速旋涂30秒，130℃空气中退火20分钟。
3.配制0.5mg/mL的Me-4PACz乙醇溶液，以4000 rpm转速旋涂30秒，100℃退火10分钟。
4.设置刮刀间隙200 μm，以5 mm/s线性速度，取18 μL宽带钙钛矿前驱体溶液进行刮涂，真空结晶90 s，130 ℃退火20分钟。
5.配制0.5mg/mL的EDADI异丙醇溶液，5000 rpm旋涂30秒于钙钛矿层上，100℃退火10分钟。
6.热蒸镀20 nm C60
7.热蒸镀5 nm Cr(速率0.2 Å/s)
8.磁控溅射15-20 nm ITO(200 W, 100℃, 0.399 Pa, 氩气流量30 sccm)
9.旋涂PEDOT:PSS溶液，4000 rpm转速旋涂30秒，120℃空气中退火10分钟。
10.同样刮涂以及真空结晶工艺制备窄带钙钛矿薄膜
11.在窄带隙钙钛矿表面依次沉积20-nm-C60、约20-nm ALD-SnO2和150-nm Ag
论文题目
An efficient ALD- and noble metal-free charge recombination architecture for monolithic all-perovskite tandem solar cells
发表日期
2025-07-28
原文链接
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d5ta04259c
