近日，西安宝馨光能高效钙钛矿/晶硅叠层电池研究再获重要进展。张春福、朱卫东教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials发表题为“MXene-Interconnected Two-Terminal, Mechanically-Stacked Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with High Efficiency”（中文译名：MXene互连的高效钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池）的研究论文，为钙钛矿/晶硅电池“从实验室跃上生产线”再添助力。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202311679
MXene-Interconnected Two-Terminal, Mechanically-Stacked Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with High Efficiency
该论文通过MXene中间层实现半透明PSC顶电池和TOPCon底电池的机械互联，成功制备了稳定效率为29.65%的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池。基于这种结构的叠层太阳电池的子电池可以独立制备，并可直接采用双面绒面的晶硅太阳电池，同时保持PSC的溶液可加工性、低成本和可高通量制备等特点，同时兼容TOPCon、异质结等多种晶硅电池，再次验证了钙钛矿/晶硅叠层电池在光伏领域的应用潜力，为其产业化发展铺平道路。
朱卫东副教授介绍，得益于半透明PSCs的效率改善和MXene薄片优化的界面载流子传输，团队制备的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池在RS测试条件下展现出30.26 %的自测效率和30.18 %的认证效率(稳态效率为29.65 %) ，同时，在室温下还展现了出色的运行和存储稳定性。值得一提的是，截止本文发稿前，最新实验室钙钛矿/异质结叠层电池自测效率已超过32%，再次刷新西安宝馨光能钙钛矿实验室纪录。
文 章 要 点
要点一：采用KPF6和CH3NH3Cl(MACl) 添加剂协同优化钙钛矿薄膜
具有可调带隙、全覆盖和高结晶度特点的宽带隙钙钛矿薄膜对于钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池至关重要，文章使用一步法旋涂带隙为1.68 eV的 Cs0.15FA0.65 MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜，并对 KPF6 和MACl添加剂的协同改善作用进行了探索。研究表明，薄膜结晶特性性能的改善在很大程度上归因于MACl与残留溶剂的分子间交换，从而促进了 Cs0.15FA0.65 MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3晶粒的生长。KPF6 添加剂可以促进MACl与残留溶剂的分子间交换，有效抑制非辐射电荷载流子复合，最终得到结晶性能优良的 Cs0.15FA0.65 MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜。基于此最优工艺，可以成功制备出PCE高达20.96%的半透明钙钛矿子电池，以备串联电池之需。
要点二：使用高电导率、高透光性、高柔韧度的中间互连层
制备钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池的另一关键点便是使用具有高电导率和低寄生吸收的互连层。MXenes的电导率值高达15100 S cm-1，同时具有高透明度、出色的柔韧性和可调的功函数等特点，厚度仅约5 nm的Mxenes薄膜便能实现大约90%的光学透过率，还可以改善光生载流子的分离和传输，因此文章提出使用Mxenes作为叠层电池的互连层。
要点三：开发高效率且易于制备的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池
通过将半透明PSCs和TOPCon电池机械堆叠在一起，并使用MXene薄片作为界面透明导电互连层，成功开发了钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池。由于半透明PSCs改善的效率和MXene薄片提供的较好的界面载流子传输作用，在RS测试条件下制备的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池展现出30.26 %的自测效率和30.18 %的认证效率(稳态效率为29.65 %) 。同时，其在室温条件下具有出色的运行和存储稳定性。
图1. 未添加、添加MACl和添加KPF6+MACl制备的Cs0.15FA0.65MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜的(a–c）SEM、(d–f）AFM、(g）XRD、(h）UV–vis吸收和(i）稳态PL测试结果。图（i）中的PL光谱是测试沉积在ITO/SnO2衬底样品所得到的。
图2. （a）在RS下测试的20个独立半透明PSCs的PCE统计结果；（b）在RS测试条件下，未添加、添加MACl和添加KPF6+MACl制备的最优半透明PSCs的J–V曲线；（c）使用KPF6+MACl添加剂制备的最优半透明PSC的EQE和Jsc积分曲线；（d-f）未添加、添加MACl和添加KPF6+MACl制得的典型半透明PSCs的（d）EIS、（e）TPC和（f）TPV测试结果。
图3. （a）MXene互连的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池结构示意图；（b）电池实物照；（c）沉积MXene后的TOPCon电池的表面SEM照片；（d）MXene薄片的低分辨率TEM、（e）高分辨率TEM和（f）HAADF STEM测试结果；（g1–g4）MXene薄片的能谱测试结果：（g1）Ti、（g2）C、（g3）F、和（g4）O；（h）石英和石英/MXene样品的透射光谱。
图4 （a）在RS测试条件下测得的TOPCon电池、半透明PSC以及使用和不使用Mxene互连层的叠层太阳电池的J-V曲线；（b）RS条件下测得的20个使用和不使用Mxene互连层的叠层太阳电池的PCE统计结果；（c-e）使用和不使用Mxene互连层的叠层太阳电池的：c）最大功率点附近的稳定输出、d）EQE和1-R曲线、e）FS/RS J–V曲线；（f）基于Mxene互连层的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池的长期存储稳定性测试结果。
通 讯 作 者 简 介
朱卫东，西安电子科技大学微电子学院教授，主要从事新型半导体材料、器件与电路研究。近五年来，依托西安电子科技大学宽禁带半导体国家工程研究中心、全国重点实验室、集成电路产教融合创新平台，在钙钛矿等新型半导体材料生长、探测/传感/光电转换器件以及电路模块研制方面取得了诸多创新成果。以第一作者/通讯作者发表论文45篇，累计他引1500余次，入选“ESI 高被引”论文6篇，H因子25；申请/授权发明专利15余项，转化5项。主持国家自然科学基金、装备预研、科技部重点研发计划子课题、科技部重大研究计划子课题、陕西省重点研发计划等国家级/省部级项目10余项。出版中英文专著2部，获陕西省科技工作者创新创业大赛一等奖、陕西省电子学会自然科学二等奖、芯缘创新奖等奖励。
朱卫东教授将在2024新型光伏电池及组件技术论坛作《宽带隙钙钛矿材料及其晶硅/钙钛矿叠层太阳电池应用》报告分享，宽带隙钙钛矿光伏材料在晶硅/钙钛矿叠层太阳电池、半透明/热致变色电池、水下光伏发电等方面具有独特的应用优势，成为近几年光伏领域的研究热点之一。本报告将介绍宽带隙钙钛矿光伏材料的基本特性及器件应用，重点介绍其在晶硅/钙钛矿叠层太阳电池应用方面的主要技术路线、进展、今后要解决的科学技术问题以及团队的研究进展。
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