通过均匀钝化实现效率28.9%的60 cm2钙钛矿-硅叠层太阳能电池
60 cm2 perovskite-silicon tandem solar cells with an efficiency of 28.9% by homogeneous passivation
文献摘要
倒置钙钛矿太阳能电池由于钙钛矿表面（包括功能层）的非辐射复合而面临性能限制。先进的表征和密度泛函理论揭示，膦酸钝化钙钛矿表面缺陷，而哌嗪氯化物通过改善能级对齐、引入场效应和均匀化表面来减轻界面复合。两者共同使钙钛矿的准费米能级分裂均匀增加约100 mV。这使得两端钙钛矿-硅叠层电池在1 cm²器件上实现了2 V的认证开路电压和超过31%的高性能。此外，钝化的可扩展性通过均匀钝化的器件得到证明，在60 cm²的有效面积上实现了28.9%的认证效率。
英文摘要
Inverted perovskite solar cells face performance limitations due to non-radiative recombination at the perovskite surfaces in devices, including functional layers. Advanced characterization and density functional theory reveal that phosphonic acids passivate perovskite surface defects, while piperazinium chloride mitigates interface recombination by improving energy level alignment, introducing a field effect, and homogenizing the surface. Together, the quasi-Fermi level splitting of the perovskite is homogeneously increased by ca. 100 mV. This enables two-terminal perovskite-on-silicon tandems to achieve a certified open-circuit voltage of 2 V for a 1 cm² device and high performance in excess of 31%. The scalability of the passivation is furthermore demonstrated with homogeneously passivated devices reaching certified efficiencies of 28.9% for an active area of 60 cm².
解读
这篇论文在做什么
这篇论文针对倒置钙钛矿太阳能电池中钙钛矿表面及功能层界面的非辐射复合问题，提出了一种复合钝化策略。作者使用膦酸类分子钝化钙钛矿表面的缺陷，同时引入哌嗪氯化物来减轻界面复合。根据摘要，哌嗪氯化物的作用机制包括三个方面：改善能级对齐、引入场效应以及均匀化表面。通过先进表征和密度泛函理论，作者确认了这两种分子的协同作用，使钙钛矿的准费米能级分裂均匀增加了约100 mV。这一提升直接反映在器件性能上：两端钙钛矿-硅叠层电池在1 cm²面积上获得了2 V的认证开路电压，效率超过31%。更重要的是，该钝化策略具备可扩展性，在60 cm²有效面积上实现了28.9%的认证效率。摘要没有提供具体的膦酸种类、哌嗪氯化物的浓度、薄膜制备方法或稳定性数据，这些细节需要查阅全文。
和这页课件的关系
这页课件讨论的是太阳能电池的前景与挑战，核心内容包括不同带隙材料的组合、多结叠层结构、中间带光伏电池以及聚合物光伏材料的限制。课件明确提到多结叠层太阳能电池将不同禁带宽度的半导体材料组合起来，分别吸收不同波长的入射光，顶层电池能带最高，往下依次减少。这篇论文研究的钙钛矿-硅两端叠层电池正是多结叠层结构的一种具体实现，其中钙钛矿作为高带隙顶层，硅作为低带隙底层，符合课件中“顶层电池的能带最高，往下依次减少”的描述。课件还提到双端III-V/Si多结太阳能电池通过界面钝化与陷光处理提升效率至33.3%，并指出该设计与传统硅基电池制备相兼容。论文中的钝化策略同样针对界面复合问题，且钙钛矿-硅叠层与硅基电池产业化相关。但课件没有涉及钙钛矿材料或哌嗪氯化物，因此论文中的具体钝化分子和机制不是课件内容的直接例子，而是对叠层电池界面工程这一方向的延伸。
读的时候抓住什么
阅读时首先要抓住非辐射复合这一核心问题。倒置钙钛矿电池的性能损失主要来自钙钛矿表面和功能层界面的非辐射复合，论文的解决方案是两种分子协同钝化。膦酸负责钝化表面缺陷，哌嗪氯化物负责改善能级对齐、引入场效应和均匀化表面。其次要理解准费米能级分裂增加约100 mV的意义：它直接对应开路电压的提升，而2 V的认证开路电压是两端钙钛矿-硅叠层电池的重要里程碑。第三，注意效率数据的面积依赖性：1 cm²器件效率超过31%，而60 cm²组件效率为28.9%，说明放大过程中存在效率损失，但钝化策略仍能保持较好的均匀性。最后，摘要没有说明钝化层的沉积方法、长期稳定性或大面积制备的具体工艺，这些是评估产业化可行性的关键，需要从全文获取。