由于具有良好的光电性质，可调控的带隙和易于制备等优点，钙钛矿是理想的多结光伏吸光材料。然而，光诱导的相分离限制了它们的效率和稳定性。宽带隙（> 1.65 eV）的I/Br混合的钙钛矿吸光材料面临着光诱使相分离(LIPS)的问题，这严重限制了多结光伏器件的稳定性和效率。
近日，多伦多大学Edward Sargent教授课题组 报道了I/Br混合钙钛矿中的晶格畸变与相分离的抑制相关，由于A位阳离子和碘化物之间的平均原子间距离减小，产生了增加的离子迁移能垒。使用顶部子电池 值得注意的是，该篇论文的第一作者是四位来自中国的留学生王在伟（博士后），曾乐蔚（博士），祝桐（博士后）和陈昊（博士后）。 从左到右，依次为王在伟（博士后），曾乐蔚（博士），祝桐（博士后）和陈昊（博士后） 同时，该项工作的参与也包括 洛桑联邦理工学院染料敏化太阳能电池之父Michael Grätzel 、阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf教授 和北卡罗来纳大学黄劲松教授，可谓阵容豪华！ 作者利用紫外-可见吸收光谱，XRD以及固态核磁，证实了Rb能够掺杂进入I/Br混合的Cs基无机钙钛矿晶格中，且Rb的掺杂导致了带隙的增大。随着Br含量的增加，达到最大电压值的Rb含量也增加。在2.0 eV及以下带隙的器件中，2.0 eV Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 展现出最好的电压值，因此，Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 被选为目标研究对象。 亥姆霍兹自由能的计算展示随着 Br 含量的增加，Rb/Cs 混合阳离子钙钛矿具有更深的亥姆霍兹自由能（更大的热力学驱动力），因此，无机钙钛矿中 Rb 掺杂含量的上限与 Br 含量正相关，这与掺Rb时富Br钙钛矿热力学驱动力较大有关。 作者比较了~2.0 eV CsPbI1.4 Br1.6 和Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 设备的性能。对于2.0 eV CsPbI1.4 Br1.6 的器件，PCE为12.59%，VOC 为1.288 V（图3a）。而Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 器件的PCE增加到13.41%，VOC 为1.312 V。它们稳定功率输出（SPO）效率分别为12.1%和13.3%（图3b）。对54个器件的光伏参数进行统计分析，发现高性能Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 器件的重现性（图3c）。 此外，Rb0.15 Cs0.85 PbI1.75 Br1.25 样品与CsPbI1.4 Br1.6 钙钛矿（1.318 ± 0.054 eV）相比，高费米能级分裂QFLS（1.417 ± 0.004 eV）的空间分布较窄（图3d），这表明非辐射重组减少。在~2.0 eV带隙下，相对于Cs基全无机钙钛矿，Rb/Cs全无机钙钛矿太阳能电池展现出更高的器件效率和更好的重复性。 作者使用~2.0 eV Rb/Cs混合阳离子无机钙钛矿作为全钙钛矿三结太阳能电池（TJSC）的顶部子电池的吸收体。TJSC的器件结构为ITO玻璃/NiOx /Me-4PACz/2.0 eV无机钙钛矿（170 nm）/PEAI-EDAI2 /PCBM/PEIE/SnOx /ITO/NiOx /Me-4PACz/1.6 eV钙钛矿（780 nm）/PEAI-EDAI2 /PCBM/PCBM/PEIE/SnOx /Au/PEDOT：PSS/1.22 eV SnPb钙钛矿（870 nm）/C60/SnOx /Ag（图4a）。 图4b为冠军全钙钛矿TJSC的J-V曲线。反向扫描的PCE为24.33%，VOC 为3.215 V，短路电流（JSC ）为9.71 mA/cm2 ，填充因子（FF）为77.93%。作者在独立的PV校准实验室（NREL）中获得了23.29%的认证PCE（图4c），据作者所知，这是第一个报告的全钙钛矿三结太阳能电池的认证PCE。通过新钙钛矿的钝化策略、改善界面接触和光管理的优化，全钙钛矿TJSCs的效率将进一步提高。 作者还监测了封装的TJSC在最大功率点跟踪条件下，以及在环境大气下连续AM 1.5G的单太阳照明下的性能（图4e）。基于Rb/Cs混合阳离子钙钛矿的优化器件在连续运行420小时后保留了其初始PCE的80%。
综上，这项工作中，全钙钛矿三结太阳能电池实现了24.3%的效率，在NREL认证出23.3%的准稳态效率。这是钙钛矿基三结太阳能电池第一个被报道的认证效率。该工作为设计高效的全钙钛矿太阳能电池提供了新的思路。
Wang, Z., Zeng, L., Zhu, T. et al. Suppressed phase segregation for triple-junction perovskite solar cells. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06006-7
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