庆熙大学《JMCA》：实现室内外环境下都高效率的太阳能电池能！

钙钛矿型太阳能电池（PSCs）的能量损失是限制光伏性能的全部潜力低于Shockley–Queisser极限的关键因素。

来自韩国庆熙大学的研究人员报道了一种用于降低甲基铵-三碘化铅基平面异质结PSCs能量损失的双层电子传输层（ETL）结构。双层ETL的受控电子结构为MAPbI₃层的电子传输/空穴阻塞提供了合适的能带匹配，有效地抑制了PSCs界面的陷阱辅助复合。结果表明，优化的双层ETL减少了钙钛矿层界面的电荷复合，使MAPbI₃基PSCs的功率转换效率（PCE）提高了20.43%，开路电压（V_OC）高达1.20 V。此外，基于ETL的双层器件在白光发光二极管（1000 lux）的照明下仍保持了0.98 V的高V_OC，在室内条件下实现了37.2%的PCE，环境稳定性>800 h。这些发现表明双层ETL对于减少PSCs在室外/室内环境中产生高功率输出的能量损失的重要性和潜力。

相关论文以题目为“Reduced Energy Loss in SnO₂ /ZnO Bilayer Electron Transport Layer-Based Perovskite Solar Cells for Achieving High Efficiencies in Outdoor/Indoor Environments”发表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta04721j

近年来，有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿发生了革命性的变化，为低成本高效率光伏技术提供了新的前景。钙钛矿型太阳能电池（PSC）的功率转换效率（PCE）与典型的光伏技术如多晶硅或非晶硅竞争，因为单结PSC的PCE在单结器件中超过25%。然而，它仍远未达到理论上的Shockley-Queisser极限（SQL），即基于甲基铵三碘化铅（MAPbI₃）的单个连接电池的约30.5%PCE。特别是PSC的短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）接近SQL，而开路电压（Voc）远低于辐射极限和内部Voc（MAPbI₃分别为~1.32 V和~1.28 V），这主要是由于非辐射复合损耗所致。因此，为了进一步提高PSC的光电性能，需要最小化晶体中和界面处的非辐射复合路径，以实现有效的载流子提取。通过改性晶化、表面钝化、掺杂和钙钛矿层的成分工程，人们致力于降低PSCs的能量损失。

近年来，MAPbI₃薄膜的体材料或表面工程技术的发展，使单结器件的Voc远高于1.20 V，因此控制MAPbI₃或其表面的陷阱密度有助于降低PSCs的能量损失，提高PSCs的PCEs。除了钙钛矿层的工程设计之外，形成适当的电荷选择性接触是决定器件性能的另一个关键策略，因为光生载流子在到达电极之前应该通过界面。最佳的界面接触不仅为器件中的每一层形成理想的能级排列，而且在界面上提供适当的物理性质，从而控制平面异质结PSCs中的陷阱密度。除了二氧化锡（SnO₂）或二氧化钛（TiO₂）等典型的电子传输层外，人们还致力于开发新型ETL材料，如Zn₂SnO₄和In₂O₃。然而，具有令人印象深刻的新型ETL材料却鲜有报道，它们的voc仍然落后于理论极限。（文：爱新觉罗星）

图1.SnO2/ZnO（N/a）和SnO2/ZnO（a）薄膜的SEM图像和AFM图像（b），薄膜上的SEM图像（c）、X射线衍射图（d）和寿命曲线（d）。

图2.本工作制备的双层ETL基PSC的J–V曲线（a）、EQE光谱（b）、PCE直方图（c）、VOCs直方图（d）。本文所获得的voc值与SQL（e）的比较，以及基于双层ETL的PSCs（f）中相应的非辐射能量损失。（a）的插图显示了在阳光照射下（100 mW cm^–2）300 s的SPO。

图3.时间常数（a）、复合寿命（b）、奈奎斯特图（c）、具有V-TFL扭结点（d）的纯电子器件的暗J-V曲线、具有双层ETLs的器件的OCVD曲线（e）和电容分析（f）。