近日，南京大学朱鹏臣助理教授/朱嘉教授团队联合香港理工大学殷骏教授以及大连理工大学王敏焕教授提出了一种创新方法，即引入苯甲脒盐酸盐(BMCl)以增强晶格相互作用，来解决钙钛矿薄膜垂直方向上应力不均匀的问题，基于这种方法的钙钛矿单结(1.67 eV)和4端(4T)钙钛矿/硅叠层器件分别实现了23.5%(认证22.9%)和创纪录的33.4%的功率转换效率。值得一提的是，4T叠层器件在户外运行48天无效率衰减，展示出卓越的户外运行稳定性，这项工作为钙钛矿电池的商业化提供了一种有前景的策略。
研究背景
将宽带隙钙钛矿太阳能电池与晶硅(c-Si)电池结合，其效率有望突破单结太阳能电池的肖克利-奎伊瑟(S-Q)极限。然而，钙钛矿薄膜中的不均匀残余应变通常会引发化学势梯度，进而加速离子迁移和缺陷形成，严重影响叠层器件的效率和稳定性。现有策略主要关注钙钛矿薄膜在一个方向上(垂直/水平)的应变释放，而忽略另一个方向的晶格畸变。
成果概况
1.BMCl对钙钛矿薄膜中残余应变的影响
BM+阳离子的一侧氨基占据了钙钛矿晶格结构(ABX3)的A位点，而另一侧氨基则与[PbI6]4-八面体形成了牢固的化学键，从而稳定了晶格框架(图1A)，该策略协同抑制了有机阳离子空位的形成，并避免了热循环过程中的体积坍缩，使钙钛矿薄膜自上而下呈现出均匀的压缩应变(图1E-G)。
图1 BMCl对钙钛矿薄膜中残余应变的影响
2.应变调控对离子迁移和缺陷形成的影响
均匀压缩应变的形成有效地提高了离子迁移势垒和缺陷形成能。作者首先通过光致发光(PL)强度随时间的演变(图2A-B)以及电导率随温度的变化(图2C-D)来证实离子迁移的减弱。随后，离子迁移势垒的提高也验证了这一观点(图2E-F)。此外，载流子寿命的增加、PL强度的升高以及理论计算中缺陷形成能的提高(图2G-I)进一步说明了缺陷的减少。
图2 应变调控对离子迁移和缺陷形成的影响
3.单结钙钛矿太阳能电池的光伏性能和稳定性
基于上述策略的单结宽带隙钙钛矿太阳能电池实现了23.5%(认证为22.9%)的高效率(图3A-B)，而较大面积器件(1
cm2)也实现了21.6%的效率(图3C)。此外，由于离子迁移的减弱，器件在-1.5 V的反向偏压下连续测试13 min仍能保持93%的初始效率(图3D-F)。进一步的稳定性测试表明，引入BMCl的钙钛矿器件在一个太阳光照射的条件下，工作在最大功率点500 h后，效率损失小于5%(图3G-H)。
图3 单结钙钛矿太阳能电池的光伏性能和稳定性
4.4T钙钛矿/硅叠层太阳能电池的光伏性能和户外稳定性
随后，将基于此策略制备的半透明钙钛矿太阳能电池与硅电池结合在一起构成四端叠层电池，作者实现了33.4%的效率(图4A-C)，这是迄今为止报道的4T钙钛矿/硅叠层太阳能电池的最高效率。值得注意的是，在48天的户外测试中，4T叠层电池未表现出效率的衰减，展现出卓越的户外运行稳定性(图4D)。
图4 4T钙钛矿/硅叠层太阳能电池的光伏性能和户外稳定性
该研究引入苯甲脒盐酸盐(BMCl)，使宽带隙钙钛矿薄膜中垂直方向上的应力趋于均匀，从而抑制离子迁移和缺陷形成。这一策略增强了晶格稳定性，使得4T钙钛矿/硅叠层太阳能电池实现了创纪录的效率(33.4%)并提高了户外运行稳定性。该工作展示了一种高效稳定的叠层光伏技术方案。
论文信息
该成果以“Homogenizing strain via reinforced lattice interaction enables efficient and stable 4T perovskite/silicon tandem solar cells”为题，发表在国际学术期刊Joule上。
