26.57%！柔性4T钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池效率新突破

钙钛矿/Cu(InGa)Se2(CIGS)叠层太阳能电池(TSCs)呈现出引人注目的技术组合，为下一代柔性轻型光伏(PV)串联叠层设备做好准备，具有可调节带隙、高能量转换效率(PCE)、轻便灵活性以及增强的稳定性和耐久性。多年来，提高宽带隙(WBG)钙钛矿太阳能电池(PSCs)性能的迫切性显著增长，特别是在柔性叠层器件的背景下。鉴于此，2024年4月24日武汉大学李建民&肖旭东团队于AM刊发全方位钝化策略生产柔性钙钛矿/CuInGaSe2叠层太阳能电池的研究成果，通过引入了一种称为晶粒和界面双重钝化(DPGI)的全方位钝化(ARP)策略，用于钙钛矿/CIGS串联叠层结构中的WBG PSCs。DPGI的实施旨在提高薄膜结晶度并钝化太阳能电池结构中的缺陷，从而显著提高WBG PSCs的性能。并成功组装成刚性和柔性串联叠层器件。令人印象深刻的是，成功制造了全柔性4T钙钛矿/CIGS TSCs，效率为26.57%，为该领域中的最高纪录值，并突出了其在下一代柔性轻型PV串联叠层器件中的潜在应用。

单结钙钛矿太阳能电池的PCE不断提高，对于刚性基底已超过26%，这意味着朝着理论的Shockley-Queisser (S-Q)极限效率稳步迈进。串联叠层太阳能电池(TSCs)为实现更高效率的太阳能电池提供了创新的途径。近年来，基于钙钛矿TSCs，如钙钛矿/硅(刚性，33.9%)、钙钛矿/CuInGaSe2(刚性，CIGS，29.9%)和全钙钛矿(刚性，29.1%)，不断挑战效率极限。其中高效稳定的WBG PSCs作为TSCs的关键前吸光层发挥着至关重要的作用，确保TSCs具有高性能。因此，近年来WBG PSCs受到越来越多的关注。

尽管如此，WBG PSCs遇到了由提高Br含量造成的挑战，这阻碍了混合卤化物钙钛矿的成核和生长。因此，这导致内在缺陷密度增加，薄膜形成过程中缺陷密度增加，导致更为显著的非辐射复合损失和较差的器件性能。采用有效的策略形成低能量损失和稳定的WBG钙钛矿至关重要。具体来说，可以将添加剂引入钙钛矿前驱体溶液或反溶剂中，以增强薄膜的结晶性并减少晶体缺陷，包括点缺陷和高维缺陷，如晶界。同时，对晶界处界面缺陷进行钝化并最小化能量损失同样至关重要。然而，由于材料体系中缺陷的复杂性和多样性，晶界、埋底界面和薄膜表面聚集了不同数量的缺陷，同时优化这些位置来实现更好的钝化效果还需要进一步探索。

众所周知，CIGS太阳能电池凭借其灵活轻质薄膜技术和扩展的带隙调谐范围，在窄带隙叠层子电池领域中占据了强大的竞争地位。到目前为止，由于不存在与电流匹配和复合层构建相关的挑战，极高的PCE使得4T钙钛矿/CIGS TSCs成为光伏领域的研究前沿，展现出极大的商业化潜力。然而，目前柔性钙钛矿/CIGS TSCs的最高PCE(21.56%)明显落后于刚性TSCs(29.9%)，主要由于柔性WBG PSCs的性能较低。

因此，在本研究中作者提出了一种名为“双重晶界和界面钝化”的全方位钝化(ARP)策略，用于基于钙钛矿/CIGS TSCs的WBG PSCs。双晶界钝化涉及到对钙钛矿前驱体溶液和反溶剂进行掺杂，而双界面钝化则包括对埋底界面和顶部界面进行处理。该ARP策略旨在最大程度地钝化太阳能电池结构内各个位置的缺陷，有效减少钙钛矿晶体结构中的非辐射复合损失。通过实施DPGI策略，实现了WBG PSCs的显著PCE达到了22.1%，在80°C加热1000小时后仍保持了92%的原始PCE。此外，在柔性基底上实现了20.8%的PCE。此外，作者还扩展到制备刚性和柔性宽带隙半透明器件，分别获得了20.30%和17.75%的PCE。通过将这些半透明器件与窄带隙刚性和柔性CIGS太阳能电池集成，成功实现了刚性和全柔性的四端(4T)钙钛矿/CIGS TSCs，其效率分别达到了29.13%和26.57%。值得注意的是，柔性器件的效率超过了该领域所有其他设备，相较于之前工作中最高效率(21.56%)提升约为5%。柔性器件的卓越效率可能为一系列应用带来希望，并鼓励在串联叠层太阳能电池领域进行进一步的探索和进步。

图1. 制备示意图和器件性能。 (a) 制备过程。(b) WBG PSCs的ARP策略的示意图。(c) 经过各种处理的器件PCE分布。(d) J-V曲线。(e) EQE及积分电流。

图2. 形貌和表面电势演变。(a) AFM测得的薄膜均方根(RMS)粗糙度。(b-e) ITO上钙钛矿薄膜的表面KPFM图和CPD图。(f) 相应表面电势变化的线扫描（水平线表示平均表面电势值）。(g-h) 钙钛矿薄膜光电导原子力显微镜(pc-AFM)图像。(i) pc-AFM线扫描光谱（水平线表示平均表面电流值）。

图3.  薄膜和器件分析。(a) XRD光谱，(b) UV-vis光谱，(c) PL光谱，以及(d) TRPL光谱。(e) 电压光强依赖性。(f) 全电子传输层器件SCLC测量。

图4. 柔性器件和稳定性分析。 (a) 刚性PSCs运行稳定性MPP测试。插图：钙钛矿薄膜水接触角。(b) 80°C热稳定性。(c) 柔性器件J-V曲线。(d) 在弯曲半径为7 mm的情况下，柔性电池的弯曲稳定性测试。(e) 从平整到R=3 mm的曲率下的PCE。

图5. 叠层器件。 (a) 4T钙钛矿/CIGS TSCs的示意图。(b) ARP处理的刚性CIGS、过滤式CIGS和半透明PSCs(S-PSCs)的J-V曲线。(c) ARP改性的柔性CIGS(F-CIGS)、过滤式F-CIGS和柔性S-PSCs的J-V曲线。(d) ARP处理的柔性S-PSCs和过滤式F-CIGS的EQE曲线和积分电流。(e) 柔性单CIGS、钙钛矿和4T柔性钙钛矿-CIGS TSCs的PCE发展总结。

表1 不同类型太阳能电池以及刚性4T钙钛矿/CIGS TSCs的效率

表2 不同类型太阳能电池以及柔性4T钙钛矿/CIGS TSCs的效率参数