近日，Wiley 旗下的材料学顶刊Advanced Materials和Advanced Functional Materials相继刊登我院方国家与柯维俊团队有关全钙钛矿叠层太阳能电池的重要研究进展。论文的通讯作者为方国家教授和柯维俊教授，两篇论文的第一作者分别为我院科研助理黄立帅和2021级博士生管红令，论文的合作者包括我院王倜研究员和武汉工程大学郑文文等人，武汉大学为论文第一署名单位。

近年来，金属卤化物钙钛矿材料以其优异的光学和电学性能在光电子器件领域吸引了极大的关注。目前，单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到25.8%，接近其理论极限。为了进一步提高太阳能电池的效率，通过堆叠两个或多个具有不同光学带隙的子电池来构建多结叠层太阳能电池是一种很有前途的方法，两结的叠层电池理论效率能够达到43%。特别地，全钙钛矿叠层太阳能电池具有可全溶液法、可柔性化和效率高等诸多优点而备受关注，而制备高性能的全钙钛矿叠层电池需要同时实现高性能的窄带隙钙钛矿子电池和宽带隙钙钛矿子电池。

全钙钛矿的窄带隙子电池通常使用锡/铅基(Sn-Pb) 混合的钙钛矿吸光层。Sn-Pb混合钙钛矿需要引入Sn元素才能获得窄带隙，但是其中亚稳态的Sn²⁺很容易被氧化成Sn⁴⁺。这会导致p型自掺杂行为，并且载流子复合严重，从而降低太阳能电池的性能和稳定性，所以是领域内当前的共性挑战问题。基于此，该工作提出了一种简便的自然氧化得到的SnO_x掺杂Sn-Pb窄带隙钙钛矿。SnO_x掺杂可以使Sn-Pb钙钛矿薄膜的形貌、晶体质量大大改善，并且有效地减少了缺陷。更有趣的是， SnO_x 掺杂还能够提高Sn-Pb钙钛矿的费米能级，有利于载流子的输运/提取，从而大大减少载流子的复合。所制备的SnO_x掺杂的窄带隙钙钛矿太阳能电池的效率高达22.16%，未封装的SnO_x掺杂的窄带隙钙钛矿太阳能电池也具有增强的稳定性，在充满氮气的手套箱中储存2300小时后，其可以保持约100%的初始效率。得益于高效的单结窄带隙钙钛矿太阳能电池，制备的两端全钙钛矿叠层太阳能电池的效率达到26.01%。该工作介绍了一种简单的掺杂策略，用于制造高效率的单结窄带隙钙钛矿及其叠层太阳能电池，为进一步制备效率超过30% 的叠层电池提供了新思路。论文题为“Efficient Narrow-bandgap Mixed Tin-lead Perovskite Solar Cells via Natural Tin Oxide Doping”（《利用自然氧化的氧化锡掺杂制备高效窄带隙锡铅混合钙钛矿太阳能电池》），该工作发表在Advanced Materials上，第一作者为我院科研助理黄立帅。

全钙钛矿叠层电池中的宽带隙钙钛矿子电池的性能也非常关键，然而宽带隙钙钛矿电池的大开路电压(V_OC)损失和严重的光诱导卤素相分离仍然是阻碍其应用的重要挑战。基于此，该工作提出了一种不经过热退火的后处理策略，在宽带隙钙钛矿上表面形成2-噻吩乙基卤化铵的单相二维钙钛矿(n = 1)表面修饰层。与产生多个二维相的传统热退火方法相比，这种无热退火后处理的方法可以更有效地钝化宽带隙钙钛矿薄膜的缺陷，抑制光诱导的钙钛矿相分离。由此制备的不透明和半透明的1.66 eV 无甲胺基的宽带隙钙钛矿太阳能电池的最大光电转化效率分别为21.47% (0.43 V 的小开路电压损失)和19.11%，这两者都是报道的同类电池的最高效率之一。由此制备的四端全钙钛矿叠层电池达到了26.64% 的效率，在高效多结叠层太阳能电池中显示了广阔的应用前景。论文题为“Low-Dimensional 2-thiopheneethylammonium Lead Halide Capping Layer Enables Efficient Single-Junction Methylamine-Free Wide-Bandgap and Tandem Perovskite Solar Cells”（《低维2-噻吩乙基铵卤化铅覆盖层实现高效单结无甲胺宽禁带和叠层钙钛矿太阳能电池》），该工作发表在Advanced Functional Materials 上，第一作者为我院2021级博士生管红令。

系列工作得到了国家自然科学基金委、湖北省科技厅等项目的资助。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301125

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202300860

(作者：柯维俊，编辑：袁娜， 审核：张晨栋）