截止2022年4月14日，钙钛矿太阳能电池，2022年Nature已发表相关文章（Research）4篇，此篇为第5篇，依次为：多结太阳能电池，可以克服单结器件的基本效率限制。金属卤化物钙钛矿太阳能电池的带隙可调性，使其成为具有吸引力的多结结构。目前，已经报道了硅和铜硒化铟镓(CIGS)的组合以及全钙钛矿串联电池。与此同时，窄间隙非富勒烯受体，为有机太阳能电池开启了极高的效率。有机和钙钛矿半导体是一个有吸引力的组合，共享类似的加工技术。目前，钙钛矿有机串联管的效率较低，并受到宽间隙钙钛矿电池的低开路电压(Voc)和亚电池之间互连带来的损耗的限制。在此，来自德国伍伯塔尔大学的K. O. Brinkmann & T. Riedl等研究者，展示了钙钛矿-有机串联电池的效率为24.0%(认证为23.1%)，Voc高达2.15 V。相关论文以题为“Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect”于2022年04月13日发表在Nature上。多结太阳电池，通常被设计成具有互补吸收光谱的宽带隙和窄带隙亚电池的串联。改善与太阳光谱的重叠和减少热化损失，是克服单结的肖克利-奎瑟效率极限的关键。杂化金属卤化物钙钛矿作为太阳能电池的光活性材料，受到了广泛的关注。它们典型的ABX3组成包括甲铵(MA+)，甲酰胺(FA+)或A位上的Cs+离子，B位上的Pb2+离子和X位上的卤化物离子，如I–或Br–。该家族的一些成员，如FAxCs1-xPb(IyBr1-y)3，提供了带隙能(Eg)在1.5到2.3 eV之间的可调谐性，主要是通过I:Br比的变化。全钙钛矿串联电池需要窄间隙材料(Eg <1.3 eV)，其中铅部分被锡取代。然而，严重的稳定性问题与Sn2+到Sn4+的不需要的转变有关，这导致了非有意的p型掺杂和器件性能的整体退化。添加剂可以在一定程度上减缓这一效应，例如在活性层内部有多余的牺牲Sn(0)。另外，c-Si或铜-铟-硒化镓背电池，已经与宽间隙钙钛矿正面电池结合使用。其中一些串联的性能，已经超过了最好的c-Si单连接。缺点是，钙钛矿/c-Si串联装置不兼容低温、低成本、大面积生产，这是钙钛矿太阳能技术经常引用的愿景。在这方面，有机太阳能电池(OSCs)代表了一个有吸引力的选择作为窄间隙背面电池。OSCs通常基于所谓的体异质结结构，这是由一个供体聚合物和一个富勒烯衍生物作为受体的混合形成的。由于富勒烯能量水平的可调性有限，OSCs的进展在大约11%的效率水平时停滞不前。然而，随着最近非富勒烯受体(NFAs)的引入，OSCs开始看到第二波显著的进步，这使其效率超过了18%。这一进展主要来自于受体部分较窄的能隙，以及激子的高效解离，这种解离只需要施主和受体之间很小的能量抵消，与Eg/q相比，这是释放Voc中较低损耗的关键，而q是基元电荷，同时仍然提供高的外部量子效率(EQE)，因此高短路电流密度(Jsc)。在这里，研究者演示了展示了钙钛矿-有机串联电池的效率为24.0%(认证为23.1%)，Voc高达2.15 V。优化的电荷提取层，提供了钙钛矿亚晶胞与高Voc和填充因子的杰出组合。有机亚晶胞在近红外下提供了高的外部量子效率，与典型的关注非富勒烯细胞有限的光稳定性相反，如果激子主要在非富勒烯受体上产生，则显示了出色的操作稳定性，这就是研究者串联的情况。亚晶胞由一层超薄(约1.5纳米)类金属氧化铟层连接，具有前所未有的低光/电损耗。这项工作为钙钛矿有机串联建立了一个里程碑，它超越了最好的钙钛矿单一结，并与钙钛矿CIGS和全钙钛矿多结相当。
图1. 有机亚晶胞的结构和性质
图2. 优化的宽间隙钙钛矿亚晶胞
图3. 串联连接
图4. 钙钛矿-有机串联电池参考文献
Brinkmann, K.O., Becker, T., Zimmermann, F. et al. Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect. Nature 604, 280–286 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04455-0
