南京大学肖科、王元元、谭海仁《‌‌Nature 》|针对全钙钛矿串联太阳能电池模块的纳米晶体定制化重组技术

全钙钛矿串联太阳能电池模块的商业化应用受到传统金基隧穿复合结（TRJ）1,2的依赖性所阻碍。具体而言，这种 TRJ 会引入显著的近红外寄生吸收3，并存在界面不稳定性4问题，从而限制光电流生成和器件的运行耐久性。本研究开发了一种基于表面工程氧化铟（In2O3）纳米晶体的溶液处理互连层，该材料具有高光学透明度；其可控的纳米晶体形貌与定制配体化学特性可实现平滑的界面接触及优异的能量水平对齐。关键在于，我们在铅锡（Pb–Sn）钙钛矿前驱体中添加了膦酸添加剂，该添加剂能协同改善与In2O3复合层之间的电子接触，从而提升空穴提取效率。此外，该添加剂还能调控钙钛矿结晶过程，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。这种协同的界面与结晶工程策略同时提高了互连层的载流子复合效率、优化了载流子提取性能，并提升了全钙钛矿串联结构的大面积薄膜均匀性。因此，这款面积为65平方厘米的全钙钛矿串联太阳能组件经日本电气安全与环境技术实验室（JET）测试后，展现出经认证的26.2%5光电转换效率、2.182伏开路电压、77.4%填充因子以及15.6毫安/平方厘米的短路电流密度（基于平均子电池性能数据）。这一成果标志着钙钛矿串联光伏技术在规模化应用方面取得了重大突破。

图1. 全钙钛矿型双层太阳能电池（TSM）中的隧道复合结。(A) 全钙钛矿串联结构中三种类型的 TRJ 。(B) ITO纳米晶和In2O3纳米晶的透射电子显微镜图像。(C) 沉积在宽带隙子电池上的ITO纳米晶和In2O3纳米晶的原子力显微镜图像。(D) 沉积在石英基底上的三种类型 TRJ 的吸光度曲线，彩色区域为串联结构中Pb-Sn钙钛矿子电池的响应范围。(E) 使用不同隧道复合结在85°C环境条件下封装的全钙钛矿TSM的热稳定性。(F) 在10×10 cm²基底内，蒸发金、刮刀涂覆ITO纳米晶与In2O3纳米晶的光学吸光均匀性比较。(G) 使用三种类型 TRJ 的TSM光伏参数（孔径面积：65 cm²，14个串联子电池）：I型器件20个，II型和III型器件各12个。箱线图分别表示分布的标准差、最大值和最小值。

图2. Pb-Sn钙钛矿太阳能电池中的电荷传输增强。(A)协同优化策略示意图：将HSMs掺入钙钛矿本体，并对In2O3纳米晶的表面配体进行工程化修饰。(B)在施加偏压条件下测得的对照组、目标钙钛矿薄膜以及具有不同表面配体的In2O3纳米晶的UPS谱图。(C)无外加偏压时样品UPS谱图中费米边区域的放大图像。(D)基于UPS结果绘制的各种In2O3纳米晶、钙钛矿薄膜及碳60的能量水平对比图。(E)采用减小 PEDOT - PSS 厚度制备的对照组与目标Pb-Sn钙钛矿太阳能电池的光伏性能（每种类型含10个器件，孔径面积均为0.049 cm²；箱线图分别表示分布的标准差、最大值和最小值）。(F)基于不同配体（孔径面积：0.049 cm²）的In2O3纳米晶所制备的标杆目标钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。(G)图(F)所示对应最佳性能钙钛矿太阳能电池的 EQE 曲线。

图3. Pb-Sn钙钛矿薄膜的特性。(A) 对照组与目标组Pb-Sn钙钛矿薄膜的 GIWAXS 图谱。(B) HSM 、FAI及 HSM +FAI混合物在DMSO-d6溶液中的¹H核磁共振谱图，对应位置的氢原子以红色标出。(C) 沉积于石英基底上的对照组与目标组Pb-Sn钙钛矿薄膜的TAS分析结果。(D) 通过瞬态吸收法测得的对照组与目标组Pb-Sn钙钛矿薄膜的载流子衰减曲线。(E和F) 沉积于石英基底上的对照组与目标组Pb-Sn钙钛矿薄膜的稳态光致发光光谱(E)及时间分辨光致发光光谱(F)。(G) 对照组与目标组Pb-Sn钙钛矿薄膜的载流子迁移率及扩散长度。

图4. 铅锡钙钛矿薄膜及全钙钛矿型转换太阳能模块的大规模制备。(A)对照组与目标组铅锡钙钛矿薄膜的数码照片及扫描电镜图像（比例尺为2μm）。(B)对照组与目标组铅锡钙钛矿薄膜的 XRD 图谱。(C)性能最佳的对照组与目标组铅锡钙钛矿太阳能组件的J-V曲线（光圈面积为65cm²，含14个串联子电池）。(D)采用I型和III型过渡区域结的最佳转换太阳能模块的J-V曲线。(E)对应标杆 TSM 中16个测试点的 EQE 光谱统计结果。(F)封装模块在环境空气及室温条件下持续1小时阳光照射时，于最大功率点（MPP）测得的光电转换效率（PCE）变化曲线。