


文章介绍
全钙钛矿叠层太阳能组件的商业化受到传统金基隧穿复合结(TRJ)依赖的阻碍。具体而言,该TRJ引入了显著的近红外寄生吸收,并存在界面不稳定性,限制了光电流产生和运行耐久性。
基于此,南京大学谭海仁等人开发了一种基于表面工程化氧化铟(In₂O₃)纳米晶的溶液法互连层,具有高光学透明度,其中可控的纳米晶形貌和定制的配体化学实现了平滑的界面接触和良好的能级匹配。关键的是,在铅锡(Pb–Sn)钙钛矿前驱体中引入了一种磷酸添加剂,其与In₂O₃复合层协同改善了电子接触,从而增强了空穴提取。此外,该添加剂调控了钙钛矿结晶,以减轻薄膜形成过程中的残余应变,确保高质量的大面积沉积。这种协调的界面和结晶工程策略同时增强了互连层处的载流子复合效率,改善了载流子提取,并促进了大面积全钙钛矿叠层中的薄膜均匀性。因此,一个65 cm²的全钙钛矿叠层太阳能组件实现了经认证的26.2%的功率转换效率,开路电压为2.182 V,填充因子为77.4%,短路电流密度为15.6 mA cm⁻²(就平均子电池性能而言),由日本电气安全与环境技术实验室(JET)测量。这标志着可扩展钙钛矿叠层光伏领域的重大进展。该论文近期以“Nanocrystal-tailored recombination for all-perovskite tandem solar modules”为题发表在顶级期刊Nature上。

图1. 全钙钛矿叠层太阳能组件中的隧穿复合结。

图2. 铅锡钙钛矿太阳能电池中增强的电荷传输。

图3. 铅锡钙钛矿薄膜的特性。

图4. 铅锡钙钛矿薄膜和全钙钛矿叠层太阳能组件的大面积制备。
总之,作者等人展示了一种基于纳米晶复合层、同时解决规模化与叠层结构固有局限性的全钙钛矿叠层太阳能组件,其孔径面积为65 cm²,效率达26.2%。In₂O₃纳米晶层缓解了传统结构固有的叠层驱动型寄生吸收和不稳定性。此外,其厚度不敏感的光电特性及良好的界面特性,结合HSM掺入实现的Pb-Sn钙钛矿薄膜均匀结晶,有效克服了与组件规模化相关的关键挑战。组件尺寸、效率和运行稳定性的同步提升凸显了全钙钛矿叠层光伏技术的强大商业化潜力,使其成为传统硅基光伏的有力竞争者。为进一步推进该技术走向实际应用,将组件面积扩大至800 cm²以上需要沉积工艺和结晶工艺的协同发展。具体而言,狭缝涂布技术的进步必须与优化的结晶方法(如真空辅助结晶)相结合,以确保大面积宽带隙和窄带隙钙钛矿子电池的高质量均匀制备。
器件制备
器件结构:
ITO/NiO/Me-4PACz/WBG PVK/EDAI2/C60/SnO2/In2O3/NBG PVK/C60/SnO2/Cu
1、ITO玻璃P1刻蚀,清洗,5 mg/mL合成的NiO纳米晶 去离子水,10 mm/s速度刮涂,N2刀压力为40 psi,间隙200 um,100℃空气中退火10 min;0.5 mg/mL Me-4PACz IPA,10 mm/s速度刮涂,空气中100°C退火10 min;
2、1.4 M Cs₀.₃₅FA₀.₆₅PbI₁.₈Br₁.₂(CsI/FAI和PbI₂/PbBr₂的摩尔比分别为35:65和40:60。(CsI + FAI)/(PbI₂ + PbBr₂)的摩尔比为1:1,添加0.5 mol% PbX2的PEAI)溶于DMF:DMSO混合溶剂,50℃搅拌过夜,0.22 um PTFE过滤后,加入THF,DMF:DMSO:THF体积比为3:1:1,300 μm间隙、5 mm s⁻¹速度刮涂,N₂刀压力为60 psi,105 °C退火20 min;
3、0.5 mg/mL EDAI2,200 um间隙刮涂,100 °C退火1 min;
4、0.2 Å s⁻¹沉积20 nm C₆₀;ALD 20 nm SnO₂;
5、2 mg mL⁻¹ In₂O₃纳米晶溶液300 μm刮涂间隙、10 mm s⁻¹速度刮涂,N₂刀压力为10 psi,空气条件下100 °C退火10 min;
6、1.4 M FA₀.₇MA₀.₃Pb₀.₅Sn₀.₅I₃(FAI/MAI和PbI₂/SnI₂的摩尔比分别为0.7:0.3和0.5:0.5。(FAI + MAI)/(PbI₂ + SnI₂)的摩尔比为1:1。在前驱体中添加HSM(相对于PbI₂+SnI₂优化为0.2 mol%)和SnF₂(相对于SnI₂为10 mol%)溶解于0.8 mL 2-Me中,添加5 mg/mL Sn粉,0.1%摩尔比DMSO,室温下搅拌0.5 h,0.22 um PTFE过滤,加入0.2 mL THF,28 mm/s刮涂,间隙300 um,N₂刀压力为60 psi,100 °C退火10 min;
7、沉积20 nm C60;ALD 15 nm SnO2;
8、P2刻蚀(宽度50 μm,能量36.4 μJ,波长532 nm,频率150 kHz,速度500 mm/s);
9、ALD 10 nm SnO2;
10、1.0 Å s⁻¹蒸镀150 nm Cu;
11、P3刻蚀(宽度40 μm,能量22 μJ,波长532 nm,频率200 kHz,速度500 mm/s).
文章信息
DOI:10.1038/s41586-026-10768-1


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