导读

    2024年3月26日，Advanced Energy Materials刊发了在线刊发了华中科技大学唐江教授领衔的单片集成光电子器件与系统团队（MODS）题为《Synergistic Enhancement of Efficient Perovskite/Quantum Dot Tandem Solar Cells Based on Transparent Electrode and Band Alignment Engineering》的研究论文。论文第一作者为李明宇博士生，通讯作者为陈超副教授和宋海胜教授。论文第一单位为华中科技大学。

研究背景

对太阳能光谱能量的充分利用可以极大地提高光伏器件的理论极限效率，近红外区域（>760 nm）的太阳辐射约占全部辐射能量的43%。因此将近红外区域的光子能量充分利用起来可以大大提高太阳能电池的转化效率。常规带隙（~1.55 eV）的钙钛矿相比其他带隙钙钛矿兼顾了高效率（>26%）和稳定性，其吸收截止边在800 nm；~0.95 eV窄带隙量子点可以将吸收波段延展至1300 nm。因此，将1.55 eV的钙钛矿与0.95 eV 的PbS 量子点优势互补可以实现宽光谱响应的叠层太阳能电池，其四端叠层理论极限效率接近46%。对于四端叠层体系来讲，透明电极透过率和导电率的平衡以及滤光后窄带隙子电池的效率提升是当前的主要挑战。

研究内容及结果

团队分别采用了磁控溅射和等离子反应沉积的制备方法来制备ITO透明电极，基于德鲁德自由电子理论，开发多种策略来调控掺杂浓度以达到近红外高透过率与电导率的平衡。在光伏器件层面，为了均衡磁控溅射ITO带来的串阻增加，开压与填充因子下降的问题，引入了磁控溅射的掺铝氧化锌（AZO）取代原有的高阻氧化锌，来增强电子抽取能力。基于AZO的窄带隙量子点电池，其开路电压和填充因子相比与ZnO器件有了非常显著的提高。将近红外高透的透明电极与提供能带补偿的AZO结合，最终实现了窄带隙量子点底电池的高效率。相比于对照器件，其各项参数都有非常明显的提升。研究结果表明，通过上述协同策略优化后的0.95 eV PbS 量子点太阳能电池达到了14.14%的记录效率。通过对1.55 eV带隙钙钛矿薄膜厚度的优化，实现了超过20%的效率的半透明钙钛矿顶电池。经过半透明钙钛矿顶电池滤光后，0.95 eV PbS量子点太阳能电池稳态效率达到了5.84%。通过上述钙钛矿/量子点四端串联叠层，最终实现了26.12%的四端叠层效率。常规带隙的钙钛矿和全无机的PbS 量子点电池在稳定性方向都有着优异的表现，其效率的突破进一步展现了钙钛矿和量子点串联太阳能电池在光伏领域的应用潜力。

图1. 常规带隙的钙钛矿与红外量子点太阳电池体系的良好互补性。（a-c）两者的光谱匹配。（d）四端叠层的理论效率达到46%。（e）叠层器件结构和主要技术路线。

图2.红外量子点太阳电池性能提升。（a）采用磁控溅射AZO改善了红外太阳电池电子抽取能力。（b-f）基于磁控溅射ITO和AZO的结合，0.95 eV PbS量子点电池实现了14.14%的记录效率。

图3. 钙钛矿/量子点叠层器件性能。（b-c）参比叠层器件性能。（d-e）优化后叠层器件性能，光电转换效率达到26.12%。

致谢

该研究得到了国家自然科学基金项目、华中科技大学学科交叉研究项目、光谷实验室创新项目、温州市科技计划项目的支持。感谢华中科技大学现代分析测试中心和微纳制造工艺平台提供的表征支持。

论文链接

https://doi.org/10.1002/aenm.202400219