北京工业大学合作最新Nature

没有质量损失的钙钛矿带隙调谐使钙钛矿在太阳能吸收剂中独一无二，为串联太阳能电池提供了有前途的途径。然而，当三结串联使用的带隙增加到1.90 eV以上时，最大限度地减少电压损失是具有挑战性的。

2024年3月4日，新加坡国立大学Hou Yi团队（新加坡国立大学Liu Shunchang及北京工业大学Lu Yue为共同第一作者）在Nature 在线发表题为“Triple-junction solar cells with cyanate in ultrawide bandgap perovskites”的研究论文，该研究提出了一种新的假卤化物，氰酸盐(OCN-)，具有相当的有效离子半径(1.97 Å)溴(1.95 Å)作为溴替代品。

电子显微镜和X射线散射证实OCN掺入钙钛矿晶格中。这有助于显著的晶格畸变，范围从90.5°到96.5°，碘化物/溴化物均匀分布和一致的微应变。由于这些效应，OCN基钙钛矿表现出缺陷形成能的增强和非辐射复合的显著降低。该研究实现了一个倒置钙钛矿(1.93 eV)单结器件，开路电压(VOC)为1.422 V， VOC × FF(填充因子)产品超过了Shockley-Queisser极限的80%，在最大功率点跟踪下性能稳定，最终获得了27.62%的效率(27.10%的认证效率)钙钛矿-钙钛矿-硅三联太阳能电池，孔径面积为1 cm2。

基于钙钛矿的串联太阳能电池提供了一种有效的方法，可以超越现有光伏技术(包括硅、铜铟硒化镓和有机光伏)的Shockley-Queisser (S-Q)效率限制。~1.67 eV和~1.77 eV宽带隙钙钛矿的进展催化了钙钛矿基双结太阳能电池领域的快速发展。目前，钙钛矿/硅串联电池的功率转换效率(PCE)记录为33.7%，这些电池的性能甚至超过了最好的双结III-V 半导体电池(32.9%)。

从III-V多结太阳能电池中获得灵感，将带隙大于1.90 eV的超宽带隙(UWBG)钙钛矿结合到三结太阳能电池(TJSC)中，为进一步提高效率提供了一条途径，可能达到高达51%的效率。初步研究表明，构建基于钙钛矿的TJSCs是可行的，在全钙钛矿结构中效率达到24.3%，在钙钛矿/钙钛矿/Si 结构中效率达到22.23%。

OCN取代钙钛矿薄膜的表征（图源自Nature ）

钙钛矿的带隙很大程度上取决于铅(Pb) 和卤素(X) 之间的轨道耦合。调节碘(I)和溴(Br) 的混合物是最实用的改变带隙的方法，带隙随着 Br比例的增加而增大。然而，通常情况下，当Br分数超过20%时，材料在光照下表现出增加的非辐射复合和相分离，导致器件工作期间开路电压(VOC)降低和不稳定性。

该研究发现具有与Br-相似的有效离子半径但研究相对较少的假卤化物OCN可以将整合到UWBG钙钛矿的晶格中。TEM综合分析表明，线性OCN离子在晶格内呈固定取向，并引起PbX6八面体的轻微畸变。这种取代不仅提高了钙钛矿薄膜的均匀性，而且提高了空位缺陷的形成能。因此，引入OCN将VOC从1.357 V提高到1.422 V，导致UWBG钙钛矿太阳能电池的VOC × FF产品最高。该研究关于假卤化物OCN离子作用的发现为理解卤化物阴离子如何影响钙钛矿性质提供了一个新的视角。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07226-1

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