钙钛矿-硅串联电池效率取得突破，达33.89%！

【研究背景】

随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的提升，太阳能作为一种可再生能源，日益受到广泛关注。太阳能电池技术的进步对提升能源转换效率和降低成本至关重要。晶体硅基太阳能电池凭借其卓越的效率、丰富的材料供应和长期可靠性，在光伏市场中长期保持主导地位。晶体硅太阳能电池的认证光电转换效率（PCE）已超过27%，这是由隆基绿能科技股份有限公司近期使用商业区熔（CZ）硅片所实现的。然而，尽管硅电池的性能已经相当出色，其进一步提升仍受到Auger复合和寄生吸收等限制因素的制约。

为了解决这些限制，提高光电转换效率，科学界提出了将宽带隙钙钛矿材料与硅电池结合的串联配置策略。钙钛矿材料具有较高的光电转换效率和较低的制造成本，但在钙钛矿-硅串联电池中，抑制宽带隙钙钛矿/电子传输层界面的复合损失，同时保持优越的电荷传输性能，成为了一个重要的挑战。当前，p-i-n型钙钛矿器件在界面复合方面表现出较大的开路电压亏损，影响了整体功率输出。为了改善这一问题，许多研究者尝试通过引入超薄LiF或MgFx夹层以及界面封盖层来提升钝化效果和界面稳定性。然而，这些方法在p-i-n型钙钛矿电池中的应用面临诸多挑战，如电荷扩散长度短和钝化层的选择性要求不同等问题。

为了解决这一问题，隆基绿能Jiang Liu、Xixiang Xu、Bo He、Zhenguo Li、苏州大学Xiaohong Zhang、香港理工大学Jun Yin和华能清洁能源研究院Ping Xiao课题组合作提出了一种双层交织钝化策略，以同时最大化电子传输和空穴阻挡。这一策略首先利用纳米级离散分布的超薄LiF层，随后沉积二碘化双铵（EDAI）分子，形成了一种高效的界面钝化层。LiF层主要起到接触置换和场钝化的作用，而EDAI分子则化学钝化了未被LiF层接触到的区域，在钙钛矿/电子传输层界面形成了纳米级局部接触。这种双层钝化层有效地减少了非辐射复合损失，提高了电荷提取效率，同时避免了较厚LiF层可能带来的电阻损失。

作者在双面纹理化的区熔（CZ）硅异质结电池上构建了钙钛矿-硅串联器件，该电池具有轻微纹理化的前表面和高度纹理化的后表面，从而实现了光电流的同时增强和后侧钝化效果的保持。最终，作者成功实现了认证的稳定PCE为33.89%，填充因子（FF）为83.0%，开路电压（Voc）接近1.97伏。这一成果不仅突破了单结Shockley-Queisser极限（33.7%），也标志着双结串联太阳能电池在效率上的重要进展。作者的研究解决了钙钛矿-硅串联电池中界面复合和电荷提取效率之间的平衡问题，为未来高效光伏技术的发展奠定了基础。

【表征亮点】

1. 实验首次利用双层界面钝化策略，通过纳米级离散分布的超薄LiF层和进一步沉积的二碘化双铵分子，成功实现了钙钛矿-硅串联太阳能电池的高效钝化。这一策略有效地结合了高效电子提取与非辐射复合的抑制。

2. 实验在双面纹理化的区熔（CZ）硅异质结电池上构建了钙钛矿-硅串联器件，前表面采用轻微纹理化设计以适应溶液处理的钙钛矿层，后表面则采用高度纹理化设计以确保良好的后侧钝化效果。通过这些改进，实现了同时增强光电流和保持高效后侧钝化。

3. 实验结果显示，该钙钛矿-硅串联电池达到了认证的稳定光电转换效率（PCE）为33.89%，具有83.0%的填充因子（FF）和接近1.97伏的开路电压（Voc）。这是首次报道的双结串联太阳能电池的认证效率超过了单结Shockley-Queisser极限（33.7%），标志着在太阳能电池效率方面的重大突破。

【图文解读】

图1：光致发光谱及性能损失分析。

图2. 界面相互作用和电子性质。

图3. 密度泛函理论(DFT)计算。

图4. 光伏性能和稳定性。

【科学启迪】

本文展示了通过创新的双层钝化策略实现高效钙钛矿-硅串联太阳能电池的潜力。这一策略利用纳米级分布的LiF超薄层结合二碘化双铵分子的钝化层，不仅有效抑制了界面复合，还增强了电子提取能力。这种双层交织钝化技术为解决钙钛矿/电子传输层界面复合问题提供了新的思路，且不影响电池的电荷传输性能。通过在双面纹理化的硅异质结底电池上构建串联器件，本文成功实现了超过Shockley-Queisser极限的认证效率（33.89%），并取得了高达83.0%的填充因子和接近1.97伏的开路电压。该研究为未来太阳能电池的效率提升提供了重要的科学启示，表明通过界面优化和材料创新，可以进一步突破现有光伏技术的效率瓶颈，为下一代高效光伏器件的设计提供了参考。

参考文献：Liu, J., He, Y., Ding, L. et al. Perovskite-silicon tandem solar cells with bilayer interface passivation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07997-7