01【导读】
多结太阳能电池（Multijunction solar cells），可以克服单结器件的基本效率限制。其中，金属卤化物钙钛矿太阳能电池的带隙可调性，使其在多结结构的应用中极具吸引力。目前，除了全钙钛矿叠层电池，将钙钛矿与硅及铜铟镓硒化合物（CIGS）进行组合的器件也已有报道。同时，窄带隙的非富勒烯受体快速提高了有机太阳能电池的效率。因此，有机与钙钛矿半导体是一个有吸引力的组合，他们也具有相似的加工技术。但是，钙钛矿-有机叠层电池的效率较低，并且受到宽带隙钙钛矿电池的低开路电压(Voc)和子电池（锂离子电池失效分析与测试线上交流会）间互连损耗的限制。
02【成果掠影】
近日，德国伍珀塔尔大学K. O. Brinkmann和T. Riedl（共同通讯作者）等人，采用优化的电荷提取层以及通过ALD技术制备超薄的氧化铟（InOx）作为子电池的连接层，成功实现了钙钛矿-有机叠层太阳能电池24.0%的高转化效率（认证效率为23.1%）和2.15 V的高开路电压（Voc）。相关研究成果以“Perovskite-organic tandem solar cells with indium oxide interconnect”为题发表在Nature期刊上。
03【核心创新点】
1. 采用优化的电荷提取层，实现了钙钛矿子电池的高开路电压（Voc）与填充因子（FF），以及有机子电池在近红外高的外部量子效率。
2. 子电池通过超薄（~1.5 nm）氧化铟层连接，实现超低的光学/电学损耗。制备的钙钛矿-有机叠层太阳能电池实现了24.0%的转化效率和2.15 V的高开路电压，其性能优于目前最好的钙钛矿单结电池，并与全钙钛矿及钙钛矿-CIGS器件相当。
04【数据概览】
图1. 有机子电池的组成结构与性能 © 2022 Springer Nature
（a）单结有机太阳能电池的分层结构及光活性层所用分子的化学结构。
（b）二元（PM6:Y6）与三元（PM6:Y6:PC61BM）太阳能电池体系的外量子效率（EQE）。
（c）光活性层中给受体分子的吸收光谱。
（d）使用LED光源对二元与三元电池体系的转换效率（PCE）进行测试，表征电池的长时间稳定性。
（e）叠层电池效率与有机/钙钛矿子电池带隙之间的半经验模型。
图2. 优化后的宽带隙钙钛矿子电池 © 2022 Springer Nature
（a）不同空穴提取层（如PTAA与MeO-2PACz）准费米能级的裂分。
（b）p-i-n钙钛矿单结的分层结构。
（c）堆叠层有无电子提取层（EEL）及不同退火温度的钙钛矿太阳能电池开路电压（Voc）的对比。下方为每种电池的填充因子（FF）对比。
（e）本工作中具有宽带隙（Eg=1.85 eV）、高Br含量（≥0.4）的钙钛矿太阳能电池与文献报道工作的Voc及FF比较。
（f）白光LED最大功率点条件下测得的钙钛矿太阳能电池PCE随时间的变化。
图3. 叠层电池的串联结构 © 2022 Springer Nature
（a）以InOx或Ag为连接层的钙钛矿-有机太阳能叠层电池示意图。
（b）不同InOx连接层厚度的叠层电池的J-V特性曲线。
（c）SnOx/(InOx)/MoOx二极管的J-V特性曲线
（d）有无InOx层的能垒对比。
（e）薄片电阻及载流子密度与InOx层厚度的关系。
（f）InOx价带态密度（DOS）的光电子能谱研究，32次ALD沉积后开始表现出金属性质。
（g）纯InOx层、SnOx/InOx/MoOx三明治结构层的光透过率。其中，InOx层经过32次ALD沉积，厚度约为1.5 nm。1nm的Ag层取代InOx层作为测试的对照组。
（h）以InOx或Ag为连接层的有机后电池EQE光谱表明，仅1 nm厚的Ag就能引起显著的电流损耗。
图4.钙钛矿-有机叠层电池的性能 © 2022 Springer Nature
（a）叠层电池中子电池的EQE光谱。
（b） 叠层电池的J-V特性曲线，内部为其PCE、FF、Voc、短路电流密度（Jsc）等测试结果。
（c） 叠层电池的稳定PCE结果，内部为电池的截面扫描图。
（d） 48个叠层太阳能电池经认证的PCE统计数据。
（e与f） 叠层电池在连续最大功率点条件（e）及氮气保存条件（f）下的稳定性测试。
05【成果启示】
对于目前钙钛矿-有机叠层电池的效率较低、宽带隙钙钛矿电池的开路电压（Voc）低以及子电池（锂离子电池失效分析与测试线上交流会）间互连损耗的问题，该工作在钙钛矿-有机太阳能叠层电池研究中具有重要的指导意义。一方面，宽带隙钙钛矿和相邻电荷提取层界面处损耗是低Voc的主要原因，因此，通过对钙钛矿表面进行改性，增强电荷的选择性提取，将有效提高Voc。另一方面，串联互连是构筑叠层太阳能电池的关键组成部分，电池所使用的连接层应具有高度可控的厚度，并且不会引起显著的光学损耗。同时，本工作中使用的ALD沉积技术，可实现大面积、量化处理，对于其他类型的串联叠层电池也具有适用性与指导意义。
本文由famous程供稿。
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