OSCs结合宽带隙全无机钙钛矿Voc达2.116 volt

有机太阳能电池（OSCs）的发展已见成效，采用非富勒烯受体（NFAs）的小分子材料，使其能量转换效率（PCE）超过了19%。然而，有机材料在吸收光谱上存在局限，尤其是NIR和NUV区域的吸收不佳。为了提升光吸收能力，研究人员提出了低带隙NFAs和多组分策略，虽然提高了JSC，但在单一结OSCs中无法最小化高能量光子的能量损失。

串联太阳能电池（TSCs）结合了宽带隙（WBG）和低带隙（LBG）半导体，可以扩展吸收光谱，减少能量损失，从而提升光伏性能。研究人员探索了2T和4T两种结构，其中2T架构因其较低的寄生吸收和易于模块整合而受到青睐。然而，高性能WBG有机材料的开发相对落后，而全无机钙钛矿（如CsPbI2Br）因其可调的宽带隙和热稳定性，成为前子电池的理想材料。

南方科技大學 Aung Ko Ko KYAW 團隊於Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202200445 )中發表，使用CsPbI2Br作为前子电池的吸收层，通过ZnO/SnO2双层电子传输材料提高了电子提取效率和Voc。同时，采用窄带隙PM6体异质结（BHJ）膜作为后电池吸收层，以扩展吸收至900nm以上。透过热退火（TA）-自由制程改善了后子电池的性能，降低了界面电阻，抑制了非辐射复合，从而提高了Voc。最终，单片式2T-TSCs达到了20.6%的PCE和2.116V的Voc，创下了基于钙钛矿/有机吸收层太阳能电池的新纪录，并超越了单一结和叠层有机太阳能电池的最高报告PCE。这表明，结合WBG全无机钙钛矿的叠层策略是有效且创新的，能够充分利用太阳光谱，提升OSCs的效率。

导读目录

1.    引言

2.    

3.    单结到叠层实验手法及程序剖析

4.    有机叠层太阳能电池成功提升效率与降低Voc耗损

单结到叠层实验手法及程序剖析

经由本研究发表中，归纳出研究团队所执行的实验程序、手法及采用的表征设备如下:

1.     材料选择与制备：

o选择合适的材料，包括PM6作为有机活性层材料，以及CsPbI2Br作为全无机钙钛矿材料。

o制备ITO/PEDOT/PM6/MoO3/Ag结构的单结有机太阳能电池。

o制备不同ETL的全无机钙钛矿前子电池，包括SnO2、ZnO NPs/SnO2和s-ZnO/SnO2。
表S1. 基于不同ETL的全无机钙钛矿前子电池的光伏参数

o制备热退火(TA)和无热退火(TA-free)有机后子电池。

2.     结构与性能表征：

oJ-V曲线分析在AM 1.5 G标准照明条件下进行单结有机太阳能电池的性能。

oEQE曲线分析用于评估太阳能电池的光电转换效率。

图5. (a) 单结有机太阳能电池的J-V曲线和(b) EQE曲线，采用标准结构的ITO/PEDOT/PM6/MoO3/Ag

o测量并分析全无机钙钛矿前子电池的光电参数。

o比较TA和TA-free有机后子电池的性能差异。

3.     电化学阻抗谱(EIS)分析：

o对TA和TA-free有机后子电池进行EIS测量，以分析其电荷转移和传输过程。

o拟合EIS数据以获取相关的电化学参数，如串联电阻(Rs)和并联电阻(Rsh)。

4.     能量损失分析：

o分析太阳能电池的能量损失，包括拟合参数如R1、R2、R3、CPET1、CPEP1、CPET2和CPEP2。

o计算能量损失，如ΔΕ1、ΔE2和ΔE3，以评估太阳能电池的能量转换效率。

                                     光焱科技FTPS-EQE软件量测示意图

5.     串联太阳能电池的性能评估：

o制备并测试了31个串联太阳能电池的光电参数。

o分析串联太阳能电池的性能一致性和稳定性。

图S16. CsPbI2Br/PM6串联太阳能电池在不同偏压下的电致发光光谱，其中(a)为无TA装置，(b)为TA装置

6.     文献对比分析：

o将研究结果与文献中报导的其他串联太阳能电池进行比较。

o总结研究成果，包括效率超过20%和Voc超过2.1伏特的成就。

7.     结论与展望：

o总结研究发现，包括热退火对有机后子电池性能的影响。

o提出未来研究的方向和潜在的改进措施。

有机叠层太阳能电池成功提升效率与降低Voc耗损

高性能的2T全无机钙钛矿/有机串联太阳能电池结合了吸收匹配良好的CsPbI2Br与PM6混合物，作为前后电池的吸收材料，有效提升了电池性能。此外，在钙钛矿亚电池中插入s-ZnO层，有助于电荷的分离并增强开路电压（Voc），进一步提升了电池的效率。研究还发现，热退火（TA）处理会破坏有机亚电池电极与PFN-Br界面之间的关键电荷传输过程，导致不良电荷累积和再结合。因此，采用无热退火（TA-free）制程，在不损害短路电流（JSC）和填充因子（FF）的情况下，成功改善了开路电压（Voc）。

1. 高效率记录：2T-TSC在小面积电池上达到了20.6%的显著能量转换效率（PCE），在大面积电池上达到了16.5%的PCE。

2. 出色的Voc值：达到了2.116V的Voc，这几乎是个别亚电池Voc值的总和，只有约0.001V的差异。
        研究团队采用了光焱科技提供的完整能量耗损分析设备，包括：SS-X系列AM1.5G 3A+级太阳光仿真器，用于在量测过程中建立标准光谱下的模拟环境；以及QE-R外量子效率量测方案，不仅为单结和迭层太阳能电池提供了精准且高重现性的量子效率参数，还能通过软件的配合，实现高效的ΔΕ1量测模式。此外，REPS和FTPS设备专门针对ΔE2和ΔE3的Voc耗损进行必要的参数分析。光焱科技的完整Voc耗损分析系统可将上述设备的数据直接执行导入与导出，有效简化了原本繁琐且需要大量计算验证的研究流程，从而成功获取器件各阶段所需的关键参数，并降低了程序负荷和人为计算错误的风险。

3. 全无机钙钛矿的叠层策略：证明了采用全无机钙钛矿的叠层策略是有效且创新的，能够充分利用太阳光谱，从而提高有机太阳能电池的效率。

4. 效率瓶颈的突破：此研究展示的结果超越了单一结和串联有机太阳能电池的最高报告PCE，证明了使用WBG全无机钙钛矿的串联策略是利用从NUV到NIR的宽太阳光谱，从而提高有机太阳能电池OSCs效率的一种有效和创新的策略，打破了有机太阳能电池20%的效率瓶颈。

文献参考自Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202200445)

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