寬帶隙鈣鈦礦頂電池助力鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池效率達到28.9%

澳大利亞悉尼大學、新南威爾士大學、麥考瑞大學、德國Forschungszentrum jlich大學、中國南方科技大學和斯洛文尼亞盧布爾雅那大學的研究人員利用帶隙為1.67 eV的頂層鈣鈦礦電池和基于咔唑的自組裝單層，開發了一種鈣鈦礦-硅太陽能電池設計。頂電池的能量帶隙為1.67 eV，這是迄今為止該類型電池所達到的最高帶隙之一。

作為疊層電池的頂部電池，其必須具有高能量帶隙以實現輸出電流的匹配。然而，由于鈣鈦礦和電荷選擇層之間的非輻射復合和能量錯位，這些頂電池存在更高的帶隙-電壓偏移現象。為了解決這個問題，研究人員利用了一種基于咔唑的自組裝單層(SAM)作為一種有效的空穴選擇層(HSL)。SAM 過去常被用于太陽能電池實驗，通常是在加工過程中加入分子膠，以顯著提高光吸收過氧化物層和電子傳輸層之間的附著力。

"SAM通常由一個錨定基團、一個間隔基團和一個末端基團組成，"研究人員們解釋說，他們的單層也是基于膦酸（Ph-2PACz）和兩個苯環來創建一個擴展共軛體系的。"基于咔唑的SAM-HSL之所以出現，是因為它們具有可靠的穩定性，與鈣鈦礦一致的能級，并且它們是'多電子'的，有利于空穴選擇性"。

硅-鈣鈦礦串聯太陽能電池示意圖

圖片來源:悉尼大學

頂部鈣鈦礦電池由氧化銦錫(ITO)襯底、SAM、鈣鈦礦吸收層、巴克敏斯特富勒烯(C60)電子傳輸層、酞菁(BCP)緩沖層和銅(Cu)金屬觸點制成。其功率轉換效率為21.3%，開路電壓為1.26 V，短路密度為20.5 mA/cm²，填充系數為82.6%。

"在所有記錄的1.67eV的鈣鈦礦電池當中，帶隙-電壓偏移0.41 V都是最低的數值之一。"該團隊說。

頂電池的存在使得面積為1.03 cm²的鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池功率轉換效率達到了28.9%，開路電壓達到1.91 V。

研究小組進一步指出："基于 Ph-2PACz 的疊層電池顯示出更強的濕熱耐久性，在經過 280 小時的濕熱后，性能損失可以忽略不計。"值得注意的是，基于 Ph-2PACz 的封裝疊層電池在 200 次熱循環后仍保持了 98.8% 的初始效率，通過了 IEC 61215 光伏模塊標準。