有機太陽能電池（OSCs）的發(fā)展已見成效，采用非富勒烯受體（NFAs）的小分子材料，使其能量轉換效率（PCE）超過了19%。然而，有機材料在吸收光譜上存在局限，尤其是NIR和NUV區(qū)域的吸收不佳。為了提升光吸收能力，研究人員提出了低帶隙NFAs和多組分策略，雖然提高了JSC，但在單一結OSCs中無法最小化高能量光子的能量損失。
串聯(lián)太陽能電池（TSCs）結合了寬帶隙（WBG）和低帶隙（LBG）半導體，可以擴展吸收光譜，減少能量損失，從而提升光伏性能。研究人員探索了2T和4T兩種結構，其中2T架構因其較低的寄生吸收和易于模塊整合而受到青睞。然而，高性能WBG有機材料的開發(fā)相對落后，而全無機鈣鈦礦（如CsPbI2Br）因其可調(diào)的寬帶隙和熱穩(wěn)定性，成為前子電池的理想材料。
南方科技大學 Aung Ko Ko KYAW 團隊於Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202200445 )中發(fā)表，使用CsPbI2Br作為前子電池的吸收層，通過ZnO/SnO2雙層電子傳輸材料提高了電子提取效率和Voc。同時，采用窄帶隙PM6體異質結（BHJ）膜作為后電池吸收層，以擴展吸收至900nm以上。透過熱退火（TA）-自由制程改善了后子電池的性能，降低了界面電阻，抑制了非輻射復合，從而提高了Voc。最終，單片式2T-TSCs達到了20.6%的PCE和2.116V的Voc，創(chuàng)下了基于鈣鈦礦/有機吸收層太陽能電池的新紀錄，并超越了單一結和疊層有機太陽能電池的最高報告PCE。這表明，結合WBG全無機鈣鈦礦的疊層策略是有效且創(chuàng)新的，能夠充分利用太陽光譜，提升OSCs的效率。
導讀目錄
1. 引言
2.
3. 單結到疊層實驗手法及程序剖析
4. 有機疊層太陽能電池成功提升效率與降低Voc耗損
單結到疊層實驗手法及程序剖析
經(jīng)由本研究發(fā)表中，歸納出研究團隊所執(zhí)行的實驗程序、手法及采用的表征設備如下:
1. 材料選擇與制備：
o選擇合適的材料，包括PM6作為有機活性層材料，以及CsPbI2Br作為全無機鈣鈦礦材料。
o制備ITO/PEDOT/PM6/MoO3/Ag結構的單結有機太陽能電池。
o制備不同ETL的全無機鈣鈦礦前子電池，包括SnO2、ZnO NPs/SnO2和s-ZnO/SnO2。
表S1. 基于不同ETL的全無機鈣鈦礦前子電池的光伏參數(shù)
o制備熱退火(TA)和無熱退火(TA-free)有機后子電池。
2. 結構與性能表征：
oJ-V曲線分析在AM 1.5 G標準照明條件下進行單結有機太陽能電池的性能。
oEQE曲線分析用于評估太陽能電池的光電轉換效率。
圖5. (a) 單結有機太陽能電池的J-V曲線和(b) EQE曲線，采用標準結構的ITO/PEDOT/PM6/MoO3/Ag
o測量并分析全無機鈣鈦礦前子電池的光電參數(shù)。
o比較TA和TA-free有機后子電池的性能差異。
3. 電化學阻抗譜(EIS)分析：
o對TA和TA-free有機后子電池進行EIS測量，以分析其電荷轉移和傳輸過程。
o擬合EIS數(shù)據(jù)以獲取相關的電化學參數(shù)，如串聯(lián)電阻(Rs)和并聯(lián)電阻(Rsh)。
4. 能量損失分析：
o分析太陽能電池的能量損失，包括擬合參數(shù)如R1、R2、R3、CPET1、CPEP1、CPET2和CPEP2。
o計算能量損失，如ΔΕ1、ΔE2和ΔE3，以評估太陽能電池的能量轉換效率。
光焱科技FTPS-EQE軟件量測示意圖
5. 串聯(lián)太陽能電池的性能評估：
o制備并測試了31個串聯(lián)太陽能電池的光電參數(shù)。
o分析串聯(lián)太陽能電池的性能一致性和穩(wěn)定性。
圖S16. CsPbI2Br/PM6串聯(lián)太陽能電池在不同偏壓下的電致發(fā)光光譜，其中(a)為無TA裝置，(b)為TA裝置
6. 文獻對比分析：
o將研究結果與文獻中報導的其他串聯(lián)太陽能電池進行比較。
o總結研究成果，包括效率超過20%和Voc超過2.1伏特的成就。
7. 結論與展望：
o總結研究發(fā)現(xiàn)，包括熱退火對有機后子電池性能的影響。
o提出未來研究的方向和潛在的改進措施。
有機疊層太陽能電池成功提升效率與降低Voc耗損
高性能的2T全無機鈣鈦礦/有機串聯(lián)太陽能電池結合了吸收匹配良好的CsPbI2Br與PM6混合物，作為前后電池的吸收材料，有效提升了電池性能。此外，在鈣鈦礦亞電池中插入s-ZnO層，有助于電荷的分離并增強開路電壓（Voc），進一步提升了電池的效率。研究還發(fā)現(xiàn)，熱退火（TA）處理會破壞有機亞電池電極與PFN-Br界面之間的關鍵電荷傳輸過程，導致不良電荷累積和再結合。因此，采用無熱退火（TA-free）制程，在不損害短路電流（JSC）和填充因子（FF）的情況下，成功改善了開路電壓（Voc）。
高效率記錄：2T-TSC在小面積電池上達到了20.6%的顯著能量轉換效率（PCE），在大面積電池上達到了16.5%的PCE。
出色的Voc值：達到了2.116V的Voc，這幾乎是個別亞電池Voc值的總和，只有約0.001V的差異。
研究團隊采用了光焱科技提供的完整能量耗損分析設備，包括：SS-X系列AM1.5G 3A+級太陽光仿真器，用于在量測過程中建立標準光譜下的模擬環(huán)境；以及QE-R外量子效率量測方案，不僅為單結和迭層太陽能電池提供了精準且高重現(xiàn)性的量子效率參數(shù)，還能通過軟件的配合，實現(xiàn)高效的ΔΕ1量測模式。此外，REPS和FTPS設備專門針對ΔE2和ΔE3的Voc耗損進行必要的參數(shù)分析。光焱科技的完整Voc耗損分析系統(tǒng)可將上述設備的數(shù)據(jù)直接執(zhí)行導入與導出，有效簡化了原本繁瑣且需要大量計算驗證的研究流程，從而成功獲取器件各階段所需的關鍵參數(shù)，并降低了程序負荷和人為計算錯誤的風險。
全無機鈣鈦礦的疊層策略：證明了采用全無機鈣鈦礦的疊層策略是有效且創(chuàng)新的，能夠充分利用太陽光譜，從而提高有機太陽能電池的效率。
效率瓶頸的突破：此研究展示的結果超越了單一結和串聯(lián)有機太陽能電池的最高報告PCE，證明了使用WBG全無機鈣鈦礦的串聯(lián)策略是利用從NUV到NIR的寬太陽光譜，從而提高有機太陽能電池OSCs效率的一種有效和創(chuàng)新的策略，打破了有機太陽能電池20%的效率瓶頸。
文獻參考自Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202200445)
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