[论文解读] Efficient all-perovskite tandem solar cells by dual-interface optimisation of vacuum-deposited wide-bandgap perovskite

Yu‐Hsien Chiang, Kyle Frohna+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2022

Perovskite Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本研究通过采用真空蒸镀法制备的宽带隙钙钛矿（1.76 eV）并结合双界面工程，在两终端全钙钛矿叠层太阳能电池中实现了24.1%的功率转换效率。双界面工程包括使用MeO-2PACz自组装单层作为空穴传输层，以及使用乙二胺二碘化物钝化以抑制非辐射复合。该干法沉积工艺实现了可扩展、可重复的器件制备，并可适配任意基底。

ABSTRACT

Tandem perovskite solar cells beckon as lower cost alternatives to conventional single junction solar cells, with all-perovskite tandem photovoltaic architectures showing power conversion efficiencies up to 26.4%. Solution-processing approaches for the perovskite layers have enabled rapid 2optimization of perovskite solar technologies, but new deposition routes are necessary to enable modularity and scalability, facilitating further efficiency improvements and technology adoption. Here, we utilise a 4-source vacuum deposition method to deposit FA$_{0.7}$ Cs$_{0.3}$Pb(I$_x$Br$_{1-x}$)$_3$ perovskite, where the bandgap is widened through fine control over the halide content. We show how the combined use of a MeO-2PACz self-assembled monolayer as hole transporting material and passivation of the perovskite absorber with ethylenediammonium diiodide reduces non-radiative losses, with this dual-interface treatment resulting in efficiencies of 17.8% in solar cells based on vacuum deposited perovskites with bandgap of 1.76 eV. By similarly passivating a narrow bandgap FA$_{0.75}$Cs$_{0.25}$Pb$_{0.5}$Sn$_{0.5}$I$_3$ perovskite and combining it with sub-cells of evaporated FA$_{0.7}$Cs$_{0.3}$Pb(I$_{0.64}$Br$_{0.36}$)$_3$, we report a 2-terminal all-perovskite tandem solar cell with champion open circuit voltage and power conversion efficiency of 2.06 V and 24.1%, respectively. The implementation of our dry deposition method enables high reproducibility in complex device architectures, opening avenues for modular, scalable multi-junction devices where the substrate choice is unrestricted.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的干法沉积工艺，用于宽带隙钙钛矿吸光层，以实现模块化、可重复的叠层太阳能电池制备。
• 通过双界面工程降低真空蒸镀钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合损失。
• 实现高性能全钙钛矿叠层太阳能电池，提升开路电压与功率转换效率。
• 展示真空沉积技术与柔性及多样化基底的兼容性，拓展其应用潜力。

提出的方法

• 采用四源真空蒸镀技术，通过精确调控卤素组分，生长具有可调带隙的FA₀.₇Cs₀.₃Pb(IₓBr₁₋ₓ)₃钙钛矿。
• 应用MeO-2PACz自组装单层作为空穴传输层，以提升空穴提取效率与界面能级匹配。
• 使用乙二胺二碘化物（EDAI₂）钝化宽带隙钙钛矿表面缺陷，降低非辐射复合。
• 将钝化的宽带隙子电池与窄带隙FA₀.₇₅Cs₀.₂₅Pb₀.₅Sn₀.₅I₃钙钛矿子电池集成于两终端叠层结构中。
• 优化界面层与载流子传输特性，以最小化电压损失并最大化电流匹配。
• 通过J-V特性测量、外量子效率（EQE）分析及多批次可重复性测试验证器件性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 真空蒸镀宽带隙钙钛矿是否能够实现高效率、可重复的全钙钛矿叠层太阳能电池，并将非辐射复合损失降至最低？
• RQ2 采用MeO-2PACz与EDAI₂的双界面钝化策略如何影响真空蒸镀钙钛矿器件中的电荷提取与输出电压？
• RQ3 采用真空蒸镀宽带隙钙钛矿的两终端全钙钛矿叠层太阳能电池可实现的最大功率转换效率是多少？
• RQ4 与溶液法相比，该干法沉积工艺在基底灵活性与可扩展性方面具有多大优势？
• RQ5 叠层结构是否能在保持高开路电压的同时实现子电池间的良好电流匹配？

主要发现

• 在采用真空蒸镀宽带隙钙钛矿（1.76 eV）并结合双界面优化的单结太阳能电池中，实现了17.8%的功率转换效率。
• 冠军的两终端全钙钛矿叠层太阳能电池实现了24.1%的功率转换效率与2.06 V的开路电压。
• 双界面策略——即MeO-2PACz空穴传输层与EDAI₂钝化——显著降低了非辐射复合损失。
• 真空蒸镀工艺实现了高可重复性，并与多种基底兼容，支持可扩展、模块化的器件制备。
• 叠层器件在宽带隙与窄带隙子电池之间表现出优异的电流匹配，有助于实现高电压与高效率。
• 干法沉积技术的实施为钙钛矿叠层太阳能电池的规模化工业生产开辟了新路径。