「点击蓝字，关注我们 」
前言
在钙硅叠层电池的制备过程中，控制结晶过程和减轻相/成分不均匀性对在粗糙硅基板上生长的钙钛矿层来说是一个相当大的挑战，限制效率和稳定性。1月2日晶科能源徐孟雷、张昕宇等联合香港城市大学朱宗龙、深圳技术大学徐芳、北京理工大学白杨等团队通过“卤化物锁定”策略，引入多功能铵盐硫代乙酰乙酰胺盐酸盐（TAACl）与混合卤化物钙钛矿前体中的所有类型的阳离子和阴离子结合，同时调节宽带隙钙钛矿的成核和晶体生长过程。该策略不仅在湿膜阶段实现了优异的成分均匀性，而且在成核后沿（001）平面诱导了优选取向，从而在长尺度上增强了钙钛矿薄膜在垂直和水平方向上的均匀性。
由此产生的宽带隙钙钛矿太阳能电池在小面积（0.0414 cm2）和大面积（1.0208 cm2）器件中分别产生了1.074和1.040的优异开路电压填充因子乘积（VOC×FF）。TOPCon硅子电池的相应大面积串联太阳能电池实现了创纪录的31.32%的PCE，显著的VOC为1.931V，FF为81.54%。
01
前驱体溶液制备
02
- 与钙钛矿层的相互作用及对结晶过程的调控
- 成核阶段的调节
TAACl 与钙钛矿层中的阳离子和阴离子结合，通过与的强键合作用，降低了-DMSO 复合物的形成能（XPS 测量及 DFT 计算证实）。这一作用消除了溴基钙钛矿吸收剂的直接结晶，延长了离子插入富溴晶格的时间，从而减缓了晶体的自发成核速度，促进了卤离子在成核阶段的均匀分布。DFT 模拟结果表明，与未添加 TAACl 的对照薄膜相比，添加 TAACl 的目标薄膜具有更大的临界成核半径和更低的成核速率。 - 晶体生长方向的引导
在晶体生长过程中，TAACl 的存在引导均匀成核倾向于沿着角共享八面体方向生长，该方向的形成能（-3.164eV）低于其他方向（面共享：9.384eV，边共享：0.816eV）。GIWAXS 测量结果显示，目标薄膜的 (001) 面积分强度比对照薄膜更强，表明 TAACl 促使钙钛矿薄膜优先沿 (001) 面结晶，这种择优取向有利于提高钙钛矿太阳能电池的性能。
- 水平方向均匀性改善
2D TOF - SIMS 映射结果显示，未添加 TAACl 的对照薄膜在微米尺度上存在富溴域，而添加 TAACl 的目标薄膜中未观察到这种现象，这表明 TAACl 有助于在水平方向上实现卤化物的均匀分布，提高了薄膜的成分均匀性。 - 垂直方向均匀性促进
通过 GIXRD 测量晶体结构演变来研究垂直方向的成分均匀性，发现对照薄膜在该方向上存在较大的拉伸应变（相关拉伸应力值为），而目标薄膜的应变显著减小（）。这说明 TAACl 诱导的各向同性生长促进了垂直方向上卤离子的均匀分布，从而提高了薄膜在垂直方向的成分均匀性。
- 相分离抑制
在光照条件下，对照薄膜的 PL 光谱显示出明显的红移（约 30nm），这对应着严重的相分离现象；而目标薄膜的 PL 峰红移较小（约 15nm），表明 “卤化物锁定” 策略有效抑制了相分离。BACE 测量结果进一步证实了这一点，目标薄膜的移动离子密度（）为，低于对照薄膜的，说明 TAACl 抑制了离子运动，从而减少了相分离的发生。 - 稳定性提高
通过对未封装器件在模拟一太阳光强的 LED 照射下的长期最大功率点（MPP）跟踪实验发现，采用 “卤化物锁定” 策略的目标器件在 1000 小时后仍能保持 95.43% 的初始效率，而对照器件仅保留 77.05% 的初始效率。在叠层太阳能电池中，目标叠层器件在 1000 小时跟踪后能保持 92.33% 的初始效率，而对照叠层器件降至 59.03%。这些结果表明 TAACl 的引入显著提高了钙钛矿薄膜及相应器件的稳定性，延长了其使用寿命。
03
单结钙钛矿太阳能电池制备：
将玻璃 / ITO 基板（）依次用 60 洗涤剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗 20 分钟，然后在 60°C 烘箱中干燥，接着用氧等离子体处理 10 分钟，最后转移到充氮手套箱中备用。将以 4000rpm 的转速旋涂在经 UV / 臭氧处理的玻璃 / ITO 基板上 30 秒，然后在 130°C 下退火 10 分钟。将 MeO - 2PACz（）以 4000rpm 的转速旋涂 30 秒，再在 100°C 下退火 10 分钟。通过将 18.2mg 的 CsI、23.6mg 的 MABr、192.6mg 的 FAI、536mg 的（过量 10%）、131mg 的溶解在 1mL DMF:DMSO（体积比 4:1）混合溶剂中制备 1.4M 钙钛矿前驱体溶液，以形成 1.68eV 的钙钛矿。将 60μL 钙钛矿溶液以 1000rpm 的转速旋涂在玻璃 / ITO / 空穴传输层（HTL）上 10 秒，随后以 4000rpm 的转速旋涂 30 秒。对于对照薄膜，在旋涂结束前 15 秒将 150μL CB 缓慢滴在薄膜中心；对于目标薄膜，在前驱体中加入 5% 的 TAACl 并进行相同处理。制备好的钙钛矿薄膜随后在 100°C 的热板上退火 15 分钟。整个薄膜制备过程在手套箱中进行。将-PEAI（）溶解在 IPA 中，以 4000rpm 的转速旋涂 30 秒，然后在 100°C 下退火 10 分钟。通过依次在堆叠层上热蒸发（25nm）、BCP（6nm）和银（100nm）完成表面处理的器件制备。最后，在玻璃 / ITO 基板背面沉积 120nm 厚的氟化镁层以提高透光率。
04
05
论文标题：《Highly Efficient Monolithic Perovskite/TOPCon Silicon Tandem Solar Cells Enabled by “Halide Locking》（通过“卤化物锁定”实现高效单片钙钛矿/TOPCon硅叠层太阳能电池）
发表期刊：《Advanced Energy Materials》
发表时间：2024 年
作者：L. Wang, N. Wang, X. Wu, B. Liu, Q. Liu, B. Li, D. Zhang, N. Kalasariya, Y. Zhang, X. Yan, J. Wang, P. Zheng, J. Yang, H. Jin, C. Wang, L. Qian, B. Yang, Y. Wang, X. Cheng, T. Song, M. Stolterfoht, X. C. Zeng, X. Zhang, M. Xu, Y. Bai, F. Xu, C. Zhou, Z. Zhu
研究单位：香港城市大学朱宗龙、徐孟雷、张昕宇
查看原文（点击底部阅读原文跳转）：
https://doi.org/10.1002/adma.202416150
