提供提高转换效率的途径：单片全钙钛矿叠层太阳能电池（转）

单片全钙钛矿叠层太阳能电池提供了一种提高转换效率的途径，超越了单结电池的限制。将效率、均匀性和稳定性结合在一起是一个重要的优先事项，但在窄带隙混合铅锡钙钛矿子电池中，由于缺陷密度高且易于氧化，因此实现这一目标具有挑战性。还原表面锚定两性离子分子同时提升效率，均匀性和窄带隙子电池稳定性。两性离子抗氧化剂可**Sn2+氧化和钝化混合铅锡钙钛矿膜晶粒表面的缺陷，使单结太阳能电池的效率达到21.7%(认证为20.7%)。在1 cm2的全钙钛矿叠层电池中，进一步获得了24.2%的认证效率，在0.049 cm2和12 cm2器件中，实验室测得的转换效率分别为25.6%和21.4%。在环境条件、一个太阳光照下，在器件温度54-60℃下运行500小时后，封装的叠层器件可保持其初始性能的88%。

甲脒亚磺酸（FSA）的铅锡混合窄带隙钙钛矿膜的表征。

a. FSA处理的混合铅锡钙钛矿膜在晶粒表面(包括膜面和晶界)抗氧化和缺陷钝化示意图。A位点代表钙钛矿中的一价阳离子。b. (PbI2 -SnI2)/FSA膜的XRD。垂直虚线表示混合PbI2-SnI2薄膜的衍射峰位置。c. 控制组和FSA钙钛矿膜的XRD。d. 控制组和FSA钙钛矿膜的S 2p XPS光谱。e. 控制组和FSA钙钛矿膜暴露在空气中约10分钟后的Sn 3d5/2 XPS光谱。

纯铅PSCs在效率、稳定性和可扩展性方面同时取得了进步。对于全钙钛矿叠层太阳能电池来说，实现这种结合仍然是一个重要的优先事项，但由于铅锡混合窄带隙子电池的研究中，这一目标的实现受到了限制。混合铅锡钙钛矿中载流子扩散长度已提高到几微米，但其在太阳能电池中的效率仍在或低于~21%0(其理论PCE**与铅PSCs相当)。混合铅锡钙钛矿的方法必须解决Sn2+氧化的问题，发生在薄膜结晶之前，期间和之后，甚至在低浓度的氧环境下。目前研究了抗氧化添加剂，如SnF2、SnF2-吡嗪配合物和羟基苯磺酸，以降低纯锡和混合铅锡钙钛矿中与Sn2+氧化相关的缺陷密度。例如，锡配比解决了混合Pb锡钙钛矿油墨结晶前的Sn2+氧化问题。的研究表明，即使在结晶过程中，Sn2+也会被氧化，这是由于在材料加工过程中溶剂的作用。这就要求在混合的Pb-Sn钙钛矿膜的结晶过程中，以及随后的结晶过程中，都要有应对Sn2+氧化的策略。

制造**含锡钙钛矿的另一个挑战来自于它们的不均匀形核和快速结晶。这导致了混合的Pb、Sn钙钛矿薄膜中缺陷态密度较高，以及在大衬底上生长时薄膜质量的不均匀性。缺陷晶粒表面易产生陷阱和Sn2+氧化，这不利于混合铅锡PSCs和全钙钛矿叠层的稳定性、效率和规模化。

如果在成膜过程中使晶粒表面的缺陷钝化，并使表面锚定的钝化分子强烈还原以**Sn2+氧化，则混合的铅锡钙钛矿的质量和稳定性可以同时得到改善。如果还原钝化分子能够调节结晶过程，薄膜的均匀性将得到改善。

FSA的Pb-Sn窄带隙钙钛矿膜的载流子动力学与均匀性。

在玻璃基板上沉积的控制组和FSA钙钛矿膜的稳态PL光谱(a)和时间分辨PL衰变(b)。c. 在800 nm波长的不同影响的90 fs光脉冲激发后测量的FSA钙钛矿膜瞬态飞秒OPTP。对沉积在玻璃基板(尺寸为2.5×2.5 cm2)上的控制组和FSA薄膜的PL强度成像(e)和放大微米的PL成像(f)。

Pb-Sn混合窄带隙太阳能电池的光伏性能。

a. 比较控制组和FSA窄带隙太阳能电池(面积为0.049 cm2)在相同运行时间(每种类型26个器件)的光伏性能。反扫描下FSA太阳能电池的J-V曲线。c. FSA器件相应的EQE光谱，积分电流Jsc为31.5 mA cm−2。d. 在AM1.5G和宽带隙钙钛矿滤波照明下测量的控制组器件和FSA器件(面积，1.05 cm2)的J-V曲线。e. 24个对照组和47个FSA太阳能电池(面积1.05 cm2)的PCEs柱状图，平均PCEs分别为13.9±1.0%和17.5±0.8%。

Newport测量的铅锡混合窄带隙钙钛矿太阳能电池的认证结果。

经认证的PCE为20.74%，具有低回滞(正向扫描:Voc=0.842 V, Jsc=30.59mA cm-2, FF=80.1%， PCE=20.63%;反向扫描: Voc=0.839 V, Jsc=30.63mA cm-2, FF=81.1%， PCE=20.84%)。

单片钙钛矿叠层太阳能电池的光伏性能。

a, b. 全钙钛矿叠层太阳能电池的结构示意图(a)和横截面扫描电镜图像(b)。c. 控制组和FSA器件太阳能电池的J-V曲线(面积，1.05 cm2)。d. FSA设备的EQE曲线。前后子电池的Jsc积分电流分别为16.1和15.7 mA cm−2。e.  36个对照组和40个FSA叠层太阳能电池(1.05 cm2)的PCEs柱状图。平均PCEs分别为21.1±0.7%和23.9±0.6%。f. 面积为0.049 cm2的FSA叠层器件的J-V曲线。g. 稳定的功率输出的FSA叠层电池(0.049 cm2)。插图为63个器件PCE分布，平均PCE 24.6±0.4%。h. FSA器件的EQE曲线(0.049 cm2)。前后子电池的Jsc积分电流分别为16.1和16.0 mA cm−2。i. 面积为12 cm2的FSA叠层电池的J-V曲线。插图显示相应器件的照片。反扫PCE为21.4%，Voc为1.958 V, Jsc为14.8 mA cm−2,FF为73.8%。

全钙钛矿叠层太阳能电池的大气环境和运行稳定性。a.未封装叠层太阳能电池储存在湿度约为20%的干燥环境空气下的光伏性能变化。b. 在湿度为30-50%的环境空气中，在完全模拟的AM1.5G光照条件下(100 mW cm−2, Xe灯模拟器)连续追踪封装叠层太阳能电池500小时以上的MPP。对照组/ ALD-SnO2、FSA/BCP和FSA/ ALD-SnO2初始PCEs分别为21.8%、24.3%和24.4%。由于太阳能照明下的发热，器件运行时温度在54-60℃左右。设备运行无被动冷却，环境温度保持在25℃左右。面积为1.05 cm2。