中国能源资讯网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。
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%。
