空气中加工处理的钙钛矿叠层太阳能电池效率达到23%

韩国全南国立大学(South Korea’s Chonnam National University)的研究人员报告说，钙钛矿-有机杂化叠层太阳能电池的效率为23.07%，完全在大气中加工，使该技术更接近经济可行性。

动态热风辅助法合成全无机钙钛矿薄膜示意图。图片来自Energy & Environmental Science

研究人员在很大程度上依赖于精心设计钙钛矿晶体结构本身，以获得更大的弹性。但这些精细的处理步骤增加了成本和复杂性，不适合大规模生产。该研究团队解释说，由于其低能耗制造工艺，最近重点已转向全溶液处理的太阳能电池。该团队的创新技术是一种动态热空气沉积技术( dynamic hot air deposition)，通过消除对湿度控制环境的需求来简化生产过程。

该团队的方法表明，采用有机阳离子钝化的溶液处理吸收剂可将开路电压(Voc)损失降低到0.025 V，据说这是迄今为止报道的最低水平。科学家们在这个过程中使用了完全空气中处理的“n-i-p”顶电池，据报道，这导致了一种简化的商业化方法，具有高可重复性。

研究小组使用一种称为动态热空气沉积的技术，在空气中制备了顶宽带隙钙钛矿太阳能电池和底窄带隙有机太阳能电池层。他们使用热风枪使从溶液中旋转到基材上的金属卤化物盐结晶，避免了有问题的反溶剂方法。研究人员还采用了新的化学处理方法对每一层表面进行钝化，以实现有效的电荷传输。

与具有挥发性有机成分的标准铅杂化钙钛矿相比，所得的全无机铯铅卤化物钙钛矿的防潮性大大增强。这种防潮性的增强标志着与标准铅杂化钙钛矿相比的重大进步，标准铅杂化钙钛矿含有挥发性有机成分且稳定性较差，金属铷掺杂进一步稳定了钙钛矿的晶体结构。水基合成和常温加工方法也消除了对昂贵的专用设备的需求。

根据该团队的说法，可以确定顶钙钛矿亚电池具有相对较强的可见光吸收层，峰值接近 ~450 nm，并且在整个可见光范围内呈现出非常高的外量子效率(EQE)，这弥补了 BHJ 相对较低的 EQE 的不足。钙钛矿层捕获更高能量的可见光子，而聚合物块异质结池吸收较低能量的红外光。

优化后的器件将 1.87 eV 掺铷铯铅卤化物钙钛矿顶电池与三元聚合物底电池相结合，这种全色叠层架构的太阳光电能转换效率最高可达23.07%。开路电压2.11V明显超过商用硅电池的典型 0.75 V。同样重要的是，在连续模拟太阳辐射600小时后，电池仍保留了90%以上的峰值性能。相比之下，未钝化的钙钛矿对照单元在50小时内效率降至一半以下。

科学家们还发现，参比电池在65°C和85°C的热应力下比在室温下更稳定。研究小组估计，这是由于水分子从表面解吸时，水分诱导的相衰变途径在高温下减少而发生，进一步的防潮封装可以延长使用寿命。

简化的空气环境中制造方法也从 实验室0.09平方厘米放大到1平方厘米，电池效率仍超过 21.82%。

该团队有信心通过进一步开发，使叠层太阳能电池效率超过29.1%。

空气中处理钙钛矿-有机叠层电池的效率和稳定性使该技术走上了实现广泛采用光伏所需的低制造成本的轨道。