近年來，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池 (tandem solar cells) 憑借其高效率和低成本等優(yōu)勢(shì)，成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的串聯(lián)太陽能電池模塊化生產(chǎn)，使用工業(yè)化 Czochralski 硅晶片制造的全紋理結(jié)構(gòu)串聯(lián)器件，將成為未來發(fā)展趨勢(shì)。然而，傳統(tǒng)用于調(diào)節(jié)鈣鈦礦界面性質(zhì)的表面工程策略并不適用于微米級(jí)的紋理表面。

南昌大學(xué)的姚凱教授團(tuán)隊(duì)在 Angewandte Chemie International Edition 期刊上發(fā)表了一項(xiàng)最新研究成果，他們開發(fā)了一種全新的表面鈍化策略，利用動(dòng)態(tài)噴涂 (DSC) 技術(shù)將氟化噻吩乙胺配體均勻地涂覆在紋理硅表面，有效地抑制了鈣鈦礦的相變，并提高了器件的效率和穩(wěn)定性。

何謂全紋理 PVK/Si 疊層太陽能電池的特性

鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率近年來不斷攀升，已突破 25% 的瓶頸，但其長期穩(wěn)定性問題仍然是阻礙其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。為了克服單結(jié)器件的效率極限，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了串聯(lián)太陽能電池。

傳統(tǒng)方法的局限性
傳統(tǒng)的表面工程策略通常使用旋涂法將配體涂覆在鈣鈦礦薄膜上，但這種方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)微米級(jí)紋理表面的均勻覆蓋。此外，由于鈣鈦礦材料的敏感性，傳統(tǒng)的旋涂方法可能會(huì)導(dǎo)致相變和缺陷的產(chǎn)生，影響器件的效率和穩(wěn)定性。

鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池 (tandem solar cells) 結(jié)合了鈣鈦礦材料的高效率和硅材料的低成本、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，其效率已超過 30%。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的串聯(lián)太陽能電池模塊化生產(chǎn)，使用工業(yè)化 Czochralski 硅晶片制造的全紋理結(jié)構(gòu)串聯(lián)器件，將成為未來發(fā)展趨勢(shì)。

全紋理 PVK/Si 疊層太陽能電池的特性

全紋理鈣鈦礦/硅（PVK/Si）疊層太陽能電池通過在硅層和鈣鈦礦層表面引入微米級(jí)或納米級(jí)的紋理結(jié)構(gòu)，提升了光的捕獲能力和減少了光的反射損失，從而顯著提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這些紋理結(jié)構(gòu)通常由大尺寸的金字塔或其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成，有助於光的多次反射和散射，進(jìn)一步增強(qiáng)光吸收。

l  光捕獲效率高： 表面紋理結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光的吸收，使更多的光子被轉(zhuǎn)化為電能。

l  減少反射損失： 紋理表面能有效減少光的反射，提高入射光的利用率。

l  界面穩(wěn)定性： 優(yōu)化的表面結(jié)構(gòu)和界面層有助於提高鈣鈦礦層和硅層之間的界面穩(wěn)定性。

l  高轉(zhuǎn)換效率： 利用全紋理結(jié)構(gòu)的 PVK/Si 疊層太陽能電池已經(jīng)展示了接近 30% 的轉(zhuǎn)換效率，甚至更高。

全紋理 PVK/Si 疊層太陽能電池研究進(jìn)展

近年來，許多研究團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)高效穩(wěn)定的全紋理 PVK/Si 疊層太陽能電池，并取得了顯著進(jìn)展。以下是一些重要的研究成果：

發(fā)表年份            論文全名              主要作者

2018       Fully textured monolithic perovskite/silicon tandem solar cells with 25.2% power conversion efficiency     C. Ballif

2023       Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Compatible Textured Silicon     H. Tan

2023       Buried-Interface Engineering of Conformal 2D/3D Perovskite Heterojunction for Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Textured Silicon        K. Yao

2023       Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells      C. Ballif

2023       Inorganic Framework Composition Engineering for Scalable Fabrication of Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells    H. Tan

突破性成果：全紋理串聯(lián)太陽能電池效率再創(chuàng)新高

創(chuàng)新策略：動(dòng)態(tài)噴涂技術(shù)助力表面鈍化

該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種全新的表面鈍化策略，利用動(dòng)態(tài)噴涂 (DSC) 技術(shù)將氟化噻吩乙胺配體均勻地涂覆在紋理硅表面。該技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

l  均勻覆蓋： DSC 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紋理表面的均勻覆蓋，有效地鈍化界面缺陷。

l  抑制相變： 氟化噻吩乙胺配體可以抑制鈣鈦礦的相變，并提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。16 平方厘米的開孔面積，效率達(dá)到 26.3%。

精準(zhǔn)調(diào)控：三氟甲基取代，提升鈍化效果

研究人員從分子工程的角度出發(fā)，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，引入三氟甲基取代基可以形成偶極層，增強(qiáng)配體與鈣鈦礦表面的相互作用，并優(yōu)化能級(jí)匹配，從而實(shí)現(xiàn)更有效的表面鈍化。

該團(tuán)隊(duì)利用 DSC 技術(shù)對(duì)氟化噻吩乙胺配體進(jìn)行表面處理，成功制備了基于工業(yè)化硅晶片的全紋理鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池。最終，該器件實(shí)現(xiàn)了 30.89% 的認(rèn)證穩(wěn)定功率轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。此外，封裝的器件在連續(xù)光照 600 小時(shí)后仍能保持 97% 以上的初始性能，展現(xiàn)出優(yōu)異的工作穩(wěn)定性。

總結(jié)與展望

該研究成果為制備高效穩(wěn)定的全紋理鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池提供了新的思路，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的串聯(lián)太陽能電池模塊化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該研究團(tuán)隊(duì)利用動(dòng)態(tài)噴涂技術(shù)和分子工程策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦界面缺陷的精準(zhǔn)調(diào)控，并成功克服了傳統(tǒng)表面工程策略在紋理表面應(yīng)用的局限性。

未來，可以通過進(jìn)一步優(yōu)化配體分子和表面處理技術(shù)，進(jìn)一步提升串聯(lián)太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，推動(dòng)其在光伏領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

Fig S19. 控制組和 DSC 處理器件的高靈敏度 EQE 譜圖。

Fig S20.在 1 個(gè)太陽光照下測(cè)量的 c-Si 異質(zhì)結(jié)底部電池 (2.5 × 2.5 cm2) 的 J-V 曲線。 由于切割造成的損壞，與整個(gè)晶片相比，小尺寸底部電池的器件性能略低。

本參數(shù)采用光焱科技QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測(cè)量解決方案

參考文獻(xiàn): Surface Molecular Engineering for Fully Textured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells. Angew. Chem

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