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频繁破纪录 24个叠层钙钛矿电池技术汇总!

2020-05-12 09:03:50 纳米人 作者:坡肉先生

单结钙钛矿太阳能电池的效率已经超过25%。进一步的提高效率,就得和工艺成熟的光伏器件相结合,才能进一步将效率推向SQ效率极限!目前,单结钙钛矿-硅叠层器件效率超过28%;单结钙钛矿-钙钛矿器件效率可达24.8%;机械堆叠-硅叠层器件效率超过28%。鉴于此,编者汇总了从2018年至今,关于各类钙钛矿叠层光伏器件的24篇重磅研究,以飨读者!希望可以对你的研究有所启发!

目录:1)叠层钙钛矿光伏器件2)叠层钙钛矿-硅光伏器件3)叠层钙钛矿-CIGS光伏器件4)机械叠层钙钛矿-硅光伏器件

(来源:微信公众号“纳米人”ID:nanoer2015)

叠层钙钛矿光伏器件

1.EES:18%效率,钙钛矿叠层太阳能电池

巴伦西亚大学Henk J. Bolink和塞维利亚大学Hernán Míguez团队报道一种光学优化的双结CH3NH3PbI3-CH3NH3PbI3串联钙钛矿太阳能电池,其匹配的短路电流最大化,同时寄生吸收最小化。真空沉积的方案实现堆叠的设计,并确保能级匹配度高和电荷复合小。优化的叠层器件的开路电压高达2.30V。此外,这种串联太阳能电池的效率大于18%,高于单个子电池的效率。低光电流值可以减少串联电阻的损耗,这为实现高效大面积的模块打开一扇大门。

2.Nat. Energy:21%效率,钙钛矿叠层太阳能电池    

多结全钙钛矿串联太阳能电池是高效率和低制造成本的下一代太阳能电池的最佳选择。然而,缺乏高质量的低带隙钙钛矿吸收层严重阻碍了高效稳定的全钙钛矿串联太阳能电池的发展。托莱多大学的鄢炎发团队报道一种通过掺入氯,增加混合锡-铅低带隙(~1.25 eV)钙钛矿晶粒和减少电子无序的钝化策略。这使得厚吸收层(~750 nm)可以制造高效的低带隙钙钛矿太阳能电池,这是高效串联太阳能电池的必要条件。这种改进使得能够制造双端全钙钛矿串联太阳能电池,其效率高达21%,稳态效率为20.7%。在连续照明下操作80小时后,效率保持在其初始性能的85%。

3.Nat. Commun.:22.7%效率!叠层钙钛矿电池.   

黄劲松团队研究发现,锡基钙钛矿电池中的电荷收集效率受到电子扩散长度的限制。在钙钛矿型前体中添加少量Cd3+会降低电子陷阱密度,从而产生2.72±0.15微米的长电子扩散长度。将窄带隙钙钛矿薄膜的优化厚度增加到1000 nm。对于单结窄带隙PSC和钙钛矿-钙钛矿叠层电池,分别获得了20.2和22.7%的效率。这项工作为增强窄带隙钙钛矿的光电性能和开发钙钛矿-钙钛矿串联太阳能电池的潜力提供了一种有前途的方法。

4.Nat.Energy:24.8%记录效率! 双结钙钛矿叠层太阳能电池

结合宽带隙和窄带钙钛矿来构建全钙钛矿串联太阳能电池,为光伏(PV)功率转换效率(PCE)的持续提高提供了途径。但是,窄带隙子电池的低性能降低了实际效率。

近日,南京大学朱嘉、谭海仁和Chunfeng Zhang团队报道了一种减少Pb-Sn混合窄带隙钙钛矿中Sn空位的策略,即使用金属锡通过归中反应将Sn4+(Sn2+的氧化产物)还原为Sn2+。因此,窄带隙钙钛矿中的载流子扩散长度增加到3μm。对于1.22 eV的窄带隙太阳能电池,研究人员获得21.1%的PCE。此外,全钙钛矿串联电池的认证PCE为24.8%(面积为0.049 cm2);大面积全钙钛矿串联电池(1.05cm2)的认证PCE为22.1%。串联电池在连续光照下在最大功率点运行463 h后,仍可保持90%的性能。

叠层钙钛矿-硅光伏器件

5.EES: 21%效率!钙钛矿-硅叠层太阳电池

近年来,随着钙钛矿太阳电池技术的发展,二端硅基太阳能电池为进一步提升现有硅太阳电池效率提供了广阔的前景。现有报道的所有二端硅基太阳能电池均需要一层额外制备的中间层(隧穿或者复合层),中间层通常需要高真空如磁控溅射或者PECVD等制备,这样便增加了制备的成本及难度。

澳大利亚新南威尔士大学Anita W. Y. Ho-Baillie和郑将辉团队报道了一种简单、无需中间界面层并能实现大面积制备的两端同质结硅基钙钛矿太阳电池结构设计。基于此结构,获得了在4 cm2有效面积下21%的效率;同时获得了16 cm2有效面积下效率超过17%的叠层电池,为目前为止文献报道的最大面积的二端钙钛矿-硅太阳电池。优化了MAPbI3层厚度,获得了叠层太阳电池电流匹配的条件。通过TCAD电学模拟,研究了不同掺杂浓度下p++发射极与SnO2的复合情况,确定了最优的底硅电池p++发射极的掺杂浓度,并制备了优化后的硅太阳电池及叠层电池。采用复制玫瑰花瓣制备的PDMS减反薄膜应用在叠层太阳电池上,使得基于双面抛光的底硅电池的叠层电池短路电流得到很大的提升。

6.Nano Energy:效率超过22%钙钛矿-硅叠层太阳能电池  

在所有串联光伏(PV)技术中,钙钛矿硅叠层电池引起巨大关注。两个子电池的光电流高度匹配是实现单片串联电池的高效率的关键。北京大学的周欢萍团队报道一种低温解制备钙钛矿硅电池的工艺。高效钙钛矿/硅通过调节电学和光学性质来构造单片串联电池电子传输层,优化带隙和光密度钙钛矿吸收剂。在优化条件下,串联电池的效率高达22.22%。在稳定性测试中,500小时后保持其原始效率的85%以上。

7.ACS Energy Lett.:23.1%效率!钙钛矿-硅串联太阳能电池

当钙钛矿电池是硅基串联电池的顶层电池时,钙钛矿电池中的载流子传输层的紫外线诱导降解和寄生紫外线(UV)吸收会阻碍稳定性和电性能。新南威尔士大学的郑将辉和Anita W. Y. Ho-Baillie团队通过在整体钙钛矿/硅串联电池的正面应用结构化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜解决了这些问题,该膜结合了下转换材料(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+微米荧光粉。该膜具有多种用途:对顶部电池进行减反射控制,将硅电池中的光捕获,以及吸收紫外线并以高量子产率重新发射绿光。当将其应用于4 cm2的单结钙钛矿硅串联太阳能电池上时,功率转换效率从20.1%(无防反射膜的基线器件)提高到22.3%(有防反射膜但无荧光体的器件)和23.1%(具有向下移动的并入磷光体的减反射膜的装置)。迄今为止,有器件实现了23.0%的稳态效率和81%的高填充因子,这是迄今为止使用同质结硅底部电池的整体钙钛矿/硅串联的最高值。而且,连续的紫外线照射试验的结果表明,该复合降档抗反射膜大大增强了串联装置的紫外线稳定性。这项工作展示了一种简单实用的方法,可以提高大面积钙钛矿/硅的效率和稳定性。

8.Sci. Adv.:24.1%效率,钙钛矿-硅叠层太阳能电池. 

提高硅(Si)光伏器件的功率转换效率是降低太阳能发电成本的关键因素。澳大利亚国立大学Kylie R. Catchpole和弗林德斯大学Nathan S. Lewis团队设计出一种双结钙钛矿/Si叠层太阳能电池。通过将钙钛矿电池直接放置在Si底部电池的顶部,以增加Si电池的方式输出。研究人员制备了同质结和钝化接触异质结的钙钛矿/Si叠层太阳能电池,并通过减少器件中其他地方的光学损耗,分别获得了22.9%和24.1%的效率。该研究突出了新兴钙钛矿光伏发电的潜力,通过与商业化的Si太阳能电池的直接集成,以实现低成本,高效率的叠层太阳能器件。

9.AEM: 25.2%效率!大面积的钙钛矿-硅叠层太阳能电池 

钙钛矿/硅串联太阳能电池具有潜力,可以将电池效率提高到超过晶体硅(Si)单结极限。但是,与透明导电氧化物和钙钛矿吸收层相比,Si的相对较大的光学折射率会导致单片(两结)器件中电池内部连接处的明显反射损失。因此,光管理对于提高硅底部电池的光电流吸收至关重要。牛津大学Henry J. Snaith团队通过使用由纳米晶氧化硅组成的光学中间层,可以显著减少在平坦硅衬底上处理的串联电池中的红外反射损失。结果表明,110 nm厚的界面层(折射率为2.6(800nm))在硅底部电池中产生1.4 mA cm-2的电流增益。在AM1.5G辐照下,活性面积1.1 cm2的钙钛矿/硅单片串联电池表现出顶部电池+底部电池的总电流密度为38.7 mA cm-2,并且认证的稳定效率高达25.2%。Infrared light 

10.Joule:25.4%效率,钙钛矿-硅叠层太阳能电池! 

有机-无机杂化卤化物钙钛矿是有希望的半导体配对由于其溶液可加工性,在串联光伏电池中使用硅和可调谐的互补带隙。

黄劲松团队提出,在钙钛矿前体中引入MACl和MAH2PO2两种添加剂可以显著改善钙钛矿的宽带隙(1.64-1.70 eV)和薄膜形貌,电压损失仅为0.49-0.51 V。MACl可以增大晶粒尺寸,而MAH2PO2通过钝化钙钛矿晶界,减少非辐射复合。在钙钛矿/硅单片串联太阳能电池中,顶部电池的1.64 eV,这使得两个子电池之间的光电流匹配度高。最终,串联开路电压高达1.80 V,效率高达25.4%。

11.EES:25.5%效率!钙钛矿-硅叠层太阳能电池 

由于其优异的光电性能和可调谐的带隙,有机-无机金属卤化物钙钛矿材料非常适合串联太阳能电池。为了进一步提高单片钙钛矿/硅串联器件的效率,有效的光管理(包括纹理界面)是至关重要的。德国HZB研究中心Marko Jošt和Steve Albrecht团队通过在前侧施加的纹理光管理箔(LM),制备出一种高效的单片钙钛矿/硅异质结串联太阳能电池,效率高达25.5%。通过构建光学模型,能够确定器件中的损耗,并使用其进行光学优化和估计具有不同位置纹理的多种结构的效率。模拟结果显示,在双面纹理化硅晶片顶部,厚度为1000 nm,带隙为1.66 eV的钙钛矿可以实现32.5%的效率。

12.Science:25.7%效率!高效钙钛矿硅-串联太阳能电池 

堆叠具有较小带隙的太阳能电池以形成双结膜,这有可能克服光伏电池的单结Shockley-Queisser极限。固溶钙钛矿的快速发展带来了钙钛矿单结效率超过25%。但是,该工艺尚未能够与行业相关的纹理化晶体硅太阳能电池进行单片集成。多伦多大学Edward H. Sargent 和阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf团队报道了将溶液处理的微米级钙钛矿顶部电池与完全纹理化的硅异质结底部电池相结合的叠层电池。为了克服微米级钙钛矿中电荷收集的挑战,将硅锥体底部的耗尽宽度增加了三倍。此外,通过将自限钝化剂(1-丁硫醇)锚固在钙钛矿表面上,增加了扩散长度并进一步抑制了相偏析。这些综合的增强功能使钙钛矿硅串联太阳能电池的独立认证效率达到了25.7%。这些器件在85°C下进行400小时的热稳定性测试后以及在40°C下在最大功率点跟踪400小时后,其性能损失可忽略不计。

13.Joule: 26%效率!钙钛矿-硅叠层太阳能电池 

将钙钛矿整合到纹理化的硅上可提供通往30%串联太阳能电池的途径。然而,从在典型的金字塔高度为3–10 μm的纹理化硅上溶液法沉积0.5–1μm厚的钙钛矿层仍然是一个巨大挑战。

北卡罗来纳大学教堂山分校的黄劲松,Bo Chen和亚利桑那州立大学Zhengshan J. Yu, Zay C. Holman团队提出了一种新的叠层架构,该架构可对钙钛矿进行大面积刮涂制备,以保证在金字塔形的硅上连续沉积小于1 μm钙钛矿薄膜。这些金字塔的粗糙程度可以有效地散射硅中的光,平滑的表面可以满足对钙钛矿薄膜进行固溶加工。氮气辅助刮刀工艺(1.5 m/min的速度沉积)制备空穴传输层和平坦化钙钛矿层,这可以完全覆盖纹理化硅片。通过在叠层的顶部添加纹理化的光散射层以减少前表面反射率,研究人员获得了钙钛矿/硅串联电池,其对纹理化的硅的效率为26%。

14.Science:26.7%效率!阴离子工程助力高效稳定钙钛矿-硅叠层太阳能电池 

钙钛矿硅串联太阳能电池的效率受到了宽带隙的钙钛矿顶部电池的限制。NREL的Kai Zhu,Dong Hoe Kim,首尔大学Jin Young Kim,和韩国科学技术院Byungha Shin团队开发了一种高性能,稳定的钙钛矿太阳能电池。

钙钛矿其带隙约为1.7eV。对应的电池获得了20.7%效率。在连续照明1000小时后,对应的电池可保留其初始PCE的80%以上。系统地研究了阴离子工程和苯乙铵(PEA)的2D钝化层的电特性和电学特性。作为叠层电池的顶部电池,制备的单片钙钛矿-硅串联太阳能电池获得26.7%的效率,具有优异的稳定性。

15. Science:27%效率!高效钙钛矿-硅串联太阳能电池 

宽带隙金属卤化物钙钛矿有望将半导体与串联太阳能电池中的硅配对,以追求以低成本实现大于30%的功率转换效率(PCE)的目标。但是,宽带隙钙钛矿太阳能电池从根本上受到了光致相分离和低开路电压的限制。科罗拉多大学Michael D. McGehee和中科大徐集贤团队报道了使用三卤化物合金(氯,溴,碘)可有效地形成1.67电子伏特宽带隙钙钛矿顶部电池,以调整带隙并稳定半导体在光照下的情况。通过增加溴的碘含量来缩小晶格参数,从而提高了氯的溶解度,从而使光子的寿命和电荷的迁移率提高了2倍。即使在100阳光照射强度下,薄膜中的光诱导相偏析也得到抑制,并且在60°C的最大功率点(MPP)运行1000小时后,半透明顶部电池的降解小于4%。2)通过将这些顶部电池与硅底部电池集成在一起,在面积为1 cm2的两端单片式串联中实现了27%的PCE。

16.ACS Energy Lett.:三结钙钛矿/钙钛矿/硅叠层太阳能电池 

高效三结太阳能电池目前由沉积方法昂贵的III-V半导体组成。钙钛矿/钙钛矿/硅叠层太阳能电池因为不需要外延生长,所以是一个更低成本的替代方案。

瑞士洛桑理工学院Jérémie Werner团队证明可以使用纹理化的硅底部电池制备电池以获得最佳光管理。通过改变钙钛矿吸收层组成来实现它们制造步骤的兼容,结电池实现高达2.69 eV的电路电压,14%效率。

17.Joule:23.5%效率,钙钛矿-硅三节串联太阳能电池

韩国首尔大学Jin Young Kim团队通过采用复合层作为附加接触来调控单片钙钛矿/Si串联电池,提出了对串联电池进行全面表征的有效策略,最大限度地降低了叠层器件的复杂性。为了获得有效的器件,研究人员进行了光学工程和带隙调谐,以减少反射损耗并实现电流匹配。具有MAPb(I0.95Br0.05)3的串联电池显示出23.5%效率,并且在暗态条件下2500小时后,效率仍保持初始值的97%。

叠层钙钛矿-CIGS光伏器件

18. Joule:25.9%效率!高效钙钛矿-CIGS叠层太阳能电池 

叠层太阳能电池包括窄带和宽带隙吸光层,是实现超高效率和低制造成本最佳光伏器件之一。对于窄带隙CIGS薄膜底部电池而言,高效的多晶宽带隙顶部电池的开发仍是一个挑战。美国国家可再生能源实验室的Kai Zhu团队采用PEAI和Pb(SCN)2添加剂,制备了高效宽带隙钙钛矿太阳能电池(1.68 eV(FA0.65MA0.20Cs0.15)Pb(I0.8Br0.2)3),实现了20%的效率。PEA+和SCN-产生的协同效应,不仅提高了钙钛矿膜质量和结晶度,减少了过量PbI2的形成,而且使得薄膜的缺陷密度更低和提高载流子迁移率(~47 cm2V-1s-1)和寿命(~2.9 μs)。当通过这种方法制造的半透明1.68 eV钙钛矿顶部电池与1.12 eV CIGS底部电池叠层后,4个子电池串联的电池效率可达25.9%。

19.EES: 23.26%效率!钙钛矿-CIGS叠层太阳能电池

德国亥姆霍兹柏林钙钛矿叠层器件研究中心AmranAl-Ashouri,Artiom Magomedov和Steve Albrecht等人在钙钛矿太阳能电池(PSC)中引入了两个新的空穴选择触点界面的分子。这些分子基于具有膦酸锚定基团的咔唑基团,并且可以在各种氧化物上形成自组装单层(SAMs)。除了最小的材料消耗和寄生吸收,自组装过程还可以通过简单的过程控制来保形覆盖任意形成的氧化物表面。SAM设计为在钙钛矿吸收体上形成能量匹配的界面,而不会产生非辐射损耗。PSC的效率高达21.1%。此外,制备了单结CIGSe/钙钛矿串联太阳能电池。保形覆盖允许实现其沉积在粗糙的CIGSe表面。在1 cm2的有效面积上具有23.26%的认证效率。SAM的简单性和多样化的基底兼容性可能有助于进一步将钙钛矿光伏技术发展为低成本,广泛采用的太阳能技术。

20.Science:22.43%效率!钙钛矿-CIGS叠层太阳能电池 

叠层电池的界面连接层对整个电池性能起到关键性决定作用,既要保证有效的电学连接,又要保证较高的光学透过性。

UCLA的杨阳团队发展了一种高效的钙钛矿/Cu(In,Ga)Se2两节叠层钙钛矿太阳能电池。有机无机杂化钙钛矿作为前电池,CIGS作为后电池。通过纳米尺度的界面工程化处理,控制CIGS的表面粗糙度,以及应用重度掺杂的有机空穴传输层PTAA,获得了最佳界面。叠层电池实现了22.43%的效率,未封装的电池在标准光辐照下经过500小时老化测试后,效率仍可保持90%左右。

机械堆叠钙钛矿-硅光伏器件

21.Nat. Commun.:28.2%效率!机械堆叠的钙钛矿-硅叠层太阳能电池 

基于金属卤化物钙钛矿子电池的叠层太阳能电池提供了超过单结极限的功率转换效率(PCE)的途径。然而,由于光子收集效率低下,据报道,叠层太阳能电池的PCE值目前仍低于其潜力。

多伦多大学Edward H. Sargent团队通过保持钙钛矿薄膜的光滑形态来增加光程长度,同时使用一种增强溶剂萃取的方法来增加钙钛矿厚度。这些薄膜的载流子收集受到电子扩散长度不足的限制。进一步发现,添加路易斯碱会降低陷阱密度,并使电子扩散长度增加到2.3 μm,从而使1.63 eV半透明钙钛矿电池的平均PCE达到19%,平均近红外透射率为85%。

钙钛矿顶部电池与溶液处理的胶体量子点/有机杂化底部电池堆叠后产生的PCE为24%;将钙钛矿电池与硅底部电池耦合时(机械堆叠),PCE为28.2%。

22.Joule:效率超过26%!机械堆叠钙钛矿-硅串联太阳能电池

钙钛矿/硅串联太阳能电池是将市场领先的晶体硅技术升级到超出其理论极限的有吸引力的途径。与四端子架构相比,两端子架构可降低工厂成本。然而,将钙钛矿型太阳能电池直接单片处理到记录效率高的非晶/晶体硅异质结电池正面的微米级纹理上是有挑战性的,这限制了顶部电池的高温处理和固溶处理。为了解决这些问题,罗马第二大学Aldo Di Carlo和卡萨西亚研究中心Mario Tucci 团队提出了一种机械堆叠的两端子钙钛矿/硅串联太阳能电池。优化的子电池是独立制造,随后通过使介观的钙钛矿顶部电池的背面电极与纹理化和金属化的正面接触而耦合硅底部电池的接触。通过最小化光损耗(如通过设计空穴选择层/背面接触结构,并为钙钛矿顶部电池使用石墨烯掺杂的介孔电子传输层实现的),该级串联器件显示出26.3%的效率(稳定的25.9%)。有效面积为1.43 cm2。

23.AFM:27%效率!机械堆叠钙钛矿-硅太阳能电池

多结/串联太阳能电池由于不受肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser)限制,受到了研究人员的极大的关注。钙钛矿太阳能电池具有高功率转换效率(PCE)和相对较低的电压损耗,因此是多结/串联电池中顶部电池的理想候选者。

近日,大连化学物理研究所的刘生忠和陕西师范大学Dong Yang团队将半透明钙钛矿器件与异质结硅太阳能电池相结合实现了高达27%!转换效率的光伏器件。研究人员将夹在MoO3层之间的金纳米纳米网设计为透明电极,由于MoO3的大表面张力有效地改善了金的润湿性,产生了超薄的金纳米网层,这不仅保证了出色的导电性,而且还保证了极好的光学透明度,这对于多结/串联太阳能电池来说尤其重要。MoO3顶层减少了金层的反射,从而进一步提高了透光率。基于半透明钙钛矿电池显示出了18.3%的效率,是目前报道的最高效率。当半透明钙钛矿器件与23.3%PCE的异质结硅太阳能电池机械堆叠时,其综合效率为27.0%,高于两个子电池。在提高半透明和多结/串联器件效率方面的突破可以帮助突破肖克利-奎塞尔极限。

24.AEM: 27.7效率!四结钙钛矿-硅串联太阳能电池

澳大利亚国立大学The Duong和Kylie Catchpole团队用大体积的烷基铵阳离子对3D钙钛矿进行表面涂层处理,可钝化表面缺陷,并改善钙钛矿太阳能电池的性能,而将这些大体积阳离子掺入3D结构会对结晶度产生负面影响,并降低器件性能。使用表面涂层策略,四结钙钛矿-硅串联可通过指状背接触硅底部电池达到27.7%的效率。

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