钙钛矿的带隙可以通过用溴或氯替换碘阴离子来调节，然而过多的溴会使钙钛矿性能不稳定。本文引入硫氰酸盐与碘的混合，从而开发了2D/3D混合宽带隙钙钛矿的结构和提高光电性能。基于此，钙钛矿/硅串联太阳能电池的PCE高达26.7%。

最大限度地提高钙钛矿-硅串联太阳能电池的功率转换效率(PCE)，需要一个具有宽带隙高性能、稳定的钙钛矿电池。近日， 韩国科学技术高等研究院的ByunghaShin教授，首尔大学Jin Young Kim教授， 美国国家可再生能源实验室（NREL）朱凯和Dong Hoe Kim（通讯作者）合作开发了一种稳定的钙钛矿型太阳能电池，其带隙约为1.7eV，其峰值PCE达到了20.7％，并在连续使用1000小时后仍保持了80％的功率转换效率。同时，基于苯乙铵（PEA）的二维（2D）添加剂的阴离子工程对于控制基于PbI2框架的二维钝化层的结构和电学性能至关重要，从而将单片宽间隙钙钛矿与硅串联获得的太阳能电池展现出26.7％的效率。相关论文以题为“Efficient, stablesilicon tandem cells enabled by anion engineered wide-bandgap perovskites”于4月10日发表在Science上。

论文链接

https://science.sciencemag.org/content/368/6487/155

钙钛矿光伏(PV)技术令人印象深刻，目前单结器件的效率已经达到了25%。其中，最具发展前途的太阳能装置由顶部钙钛矿电池和底部硅电池组成，以达到超越Shockley-Queisser极限的超高效率。大多数关于钙钛矿/硅串联太阳能电池的研究都具有1.5~1.6eV的钙钛矿带隙，同时硅的带隙固定为1.1eV。然而钙钛矿的带隙可以进行改进，以实现最理想的1.7eV带隙。

虽然之前已有报道接近于1.7eV带隙，但所展现出的转化效率（PCE）仍小于25%。通常情况下，钙钛矿的带隙可以通过（部分）用溴或氯替换碘阴离子来调节，然而过多的溴会使钙钛矿性能不稳定。人们一直都在探索2D相的用途，将长链分子分隔的片状卤化铅八面体添加到钙钛矿中，用作钝化剂以减少化学反应性，从而有助于改善钙钛矿的稳定性和性能。

最近的研究大多集中在2D添加剂的阴离子的设计上，本文作者引入硫氰酸盐（SCN）并与碘的混合，从而开发了2D/3D混合宽带隙（1.68eV）钙钛矿的结构和提高光电性能。SCN的使用使得设备电流密度提高，且碘能够提高电压。同时通过分析原子分辨透射电镜（TEM），证明了2D添加剂的阴离子工程可以控制二维钝化层的电子、电荷输运特性和物理位置。基于此，钙钛矿电池效率为20.7%，并在连续使用1000小时后仍保持初始效率的80％。更加重要的是，钙钛矿/硅串联太阳能电池的PCE高达26.7%。

图1.不同2D添加剂的钙钛矿太阳能电池照明下的器件性能和稳定性。（A） 具有代表性的不同添加剂钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；（B）在2D添加剂中不同比例SCN的PV参数的统计；（C）最佳宽带隙钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；（D）钙钛矿器件在光照下的长循环稳定性。

图2. 钙钛矿薄膜的结构性质。（A-D）不同2D添加剂形成的钙钛矿薄膜的平面SEM图像和XRD；（E-G）PEA(I0.25SCN0.75)的TEM图像；（H-K）2D相D的原子尺度STEM图像和原子结构示意图。

图3.不同比例的2D添加剂与3D钙钛矿前驱体薄膜的XRD。

图4.钙钛矿薄膜的电学性质及2D钝化层平面缺陷的观察。（A）钙钛矿薄膜的光电导瞬态；（B）光电导与激发强度的关系；（C）ITO/钙钛矿/Au的J-V曲线；（D-F）导体原子力显微镜图像；（G） HAADF图像显示在PEA(I0.25SCN0.75)膜中2D相内有缺陷区域的形成。

图5.2T钙钛矿/硅串联器件的结构和光伏性能。（A）2T钙钛矿/硅串联结构的横截面的SEM图像；（B）稳定功率输出的钙钛矿/硅串联器件的J-V曲线；（C）串联器件的外量子效率（EQE）和1-R光谱。

总之，本文中开发的具有带隙约为1.7eV的钙钛矿材料，同时与硅太阳能电池结合，从而得到了性能优异的钙钛矿/硅串联电池。可以预见的是，进一步优化其效率有望达到30%。（文：Caspar）

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