重磅！Science：33.7%认证效率！

研究背景

钙钛矿/硅串联太阳能电池是新一代高效光伏技术，因其高能量转换效率（PCE）和成本效益成为了研究热点。然而，其在实际应用中存在稳定性和材料缺陷等问题，影响了其商业化进程。优先考虑稳定性而不仅仅是提高性能，对于降低钙钛矿/硅串联太阳能电池的平准化电力成本至关重要。同时，钙钛矿顶电池中的晶体缺陷和薄膜不均匀性也需要尽量减少，以充分发挥其潜力。

成果简介

有鉴于此，沙特阿卜杜拉国王科技大学的Esma Ugur（一作兼通讯）、Erkan Aydin和Stefaan De Wolf等人合作在Science期刊上发表了题为“Enhanced cation interaction in perovskites for efficient tandem solar cells with silicon”的最新研究论文。他们提出了一种通过在钙钛矿前体溶液中添加二氯化亚甲基铵的策略。该方法在薄膜结晶过程中将原位形成的四氢三嗪（THTZ-H⁺）掺入钙钛矿晶格中。THTZ-H⁺阳离子的环状结构使其能够通过与碘化物在多个方向上形成氢键，与钙钛矿晶格中的铅八面体发生强相互作用，从而提高了材料的热光稳定性和器件的功率转换效率（PCE）。

研究结果表明，通过THTZ-H⁺的优化掺杂，单片钙钛矿/硅串联太阳能电池在1平方厘米的器件面积内达到了33.7%的独立认证PCE。此外，1.68电子伏钙钛矿在85°C、1个太阳光照条件下长期光照和热暴露下表现出了优异的相稳定性。这一研究不仅解决了钙钛矿/硅串联太阳能电池中的关键问题，还为其商业化应用提供了新的技术路径和理论依据。

研究亮点

1. 实验首次使用二氯化亚甲基铵作为钙钛矿前体溶液的添加剂，得到了原位形成的四氢三嗪 (THTZ-H⁺) 掺入钙钛矿晶格中的结果

通过在钙钛矿前体溶液中添加二氯化亚甲基铵，使四氢三嗪 (THTZ-H⁺) 在薄膜结晶过程中原位形成并掺入钙钛矿晶格中。这一过程的创新在于THTZ-H⁺ 阳离子的环状结构能够与碘化物形成多方向的氢键，从而与钙钛矿晶格中的铅八面体发生强相互作用。这种结构显著提高了钙钛矿的晶体质量和稳定性。

2. 实验通过THTZ-H⁺阳离子的掺杂，显著提高了钙钛矿/硅串联太阳能电池的PCE和稳定性，得到了更高效、更耐久的太阳能电池

通过掺杂THTZ-H⁺阳离子，实验结果表明，1.68电子伏钙钛矿在85°C、1个太阳光照条件下长时间光照和热暴露下的相稳定性显著提升。此外，掺杂THTZ-H⁺的单片钙钛矿/硅串联太阳能电池在1平方厘米的器件面积内达到了独立认证的33.7%的PCE。这一结果表明，THTZ-H⁺的掺杂不仅改善了钙钛矿的光电性能，还增强了其在严苛条件下的长期稳定性。

3. 实验首次展示了THTZ-H⁺的掺杂对钙钛矿薄膜光电特性的提升作用，得到了均匀的光致发光发射和增强的光电性能

通过将微量的二氯化亚甲基铵掺杂到钙钛矿薄膜中，保持带隙不变的同时，显著提升了载流子的寿命和扩散长度。优化后的旋涂工艺实现了均匀的光致发光（PL）发射和增强的光电性能。这些改进使得钙钛矿薄膜在光电转换过程中表现出更高的效率和稳定性。

4. 实验通过THTZ-H⁺的掺杂，证实了钙钛矿太阳能电池在高温和光照条件下的长期稳定性，得到了在严苛条件下仍能保持高初始性能的器件

实验结果显示，THTZ-H⁺的掺杂显著提升了钙钛矿太阳能电池在高温和强光照条件下的热光稳定性。目标器件在严苛条件下保持高比例的初始性能，展现了长期使用寿命和改进潜力。

图文解读

图1：将THTZ-H⁺阳离子加入1.68 eV钙钛矿吸收剂中。

图2：工艺优化后钙钛矿薄膜的光电性能。

图3：钙钛矿/硅叠层太阳能电池的结构与性能。

图4：在织构化硅上，钙钛矿薄膜的稳定性。

结论展望

本文的研究成果对钙钛矿/硅串联太阳能电池的开发和优化提供了重要的价值。通过在钙钛矿前体溶液中添加二氯化亚甲基铵，使得在薄膜结晶过程中，原位形成的四氢三嗪 (THTZ-H⁺) 能够掺入钙钛矿晶格中，增强了钙钛矿的晶体结构稳定性。THTZ-H⁺ 阳离子的环状结构通过与碘化物形成多向氢键，与钙钛矿晶格中的铅八面体强烈相互作用，有效钝化了晶体缺陷，减少了薄膜不均匀性。这种方法不仅提高了钙钛矿材料的功率转换效率（PCE），在85°C、1个太阳光照条件下表现出优异的相稳定性，而且实现了1平方厘米器件面积内高达33.7%的独立认证PCE。这一研究结果表明，适当的前体添加剂选择和晶格掺杂技术是优化钙钛矿/硅串联太阳能电池性能的关键，具有广阔的应用前景。

文献信息

Esma Ugur et al. ,Enhanced cation interaction in perovskites for efficient tandem solar cells with silicon.Science385,533-538(2024).DOI:10.1126/science.adp1621。

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