《Nature Nanotechnology》：高效钙钛矿-硅串联太阳能电池！

钙钛矿-硅串联太阳能电池，提供了克服传统硅太阳能电池的功率转换效率限制的可能性。为了提高光学性能，人们已经提出了各种结构串联器件，但优化表面结构晶圆上的薄膜生长，仍然是一个挑战。

在此，来自德国柏林工业大学的Steve Albrecht & 柏林理工学院的Christiane Becker等研究者，提出钙钛矿-硅串联太阳能电池具有周期性纳米纹理，提供各种优点，而不影响溶液处理钙钛矿层的材料质量。相关论文以题为“Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite–silicon tandem solar cells”发表在Nature Nanotechnology上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01228-8

最近，单片双端钙钛矿硅串联太阳能电池(PSTSCs)实现了超过31%的功率转换效率(PCEs)，从而克服了传统晶体硅单结太阳能电池的物理限制。如此高的PCEs是通过不断改进PSTSCs的光学和电子性能而达到的。这些改进包括，除其他外，切换电池极性以增强顶部接触传输和微调各层以提高光学性能。此外，各种研究通过优化接触层、使用添加剂和调整钙钛矿组成或沉积来改善电子性能。数值研究强调了，通过引入高PCEs的纹理设备界面，来充分的光管理的重要性。

对于硅太阳能电池，几微米大小的氢氧化钾蚀刻随机金字塔结构，通常用于光管理。然而，如果不进一步适应溶液处理的钙钛矿吸收剂，它们是不兼容的，这导致迄今为止报道的钙钛矿单结太阳能电池最高的PCEs。近年来，人们研究了在PSTSCs中实现光管理纹理的不同方法，要么采用钙钛矿沉积技术，但保留金字塔结构不变，要么采用钙钛矿溶液处理的结构。这些研究证明了PSTSCs在光学方面的显著改善，并对织构钙钛矿顶部细胞的形貌和光电特性提供了深入的了解。然而，开发一种合适的织构，仍然是一个主要挑战，它能够平衡有织构的PSTSCs与溶液处理的钙钛矿顶部电池之间的电子和光学性能之间的持久权衡。

在最近的研究中，研究者已经介绍了具有亚微米特征尺寸的温和正弦纳米纹理作为PSTSCs的有希望的候选材料：光学模拟表明，与平面参考串联太阳能电池相比，PCE可以大幅增强。研究者进一步通过实验证明，这种纳米结构在溶液处理钙钛矿和硅单结太阳能电池中提供了一种可行的光管理方法，而不影响各自吸收体的光电质量。

在此，研究者展示了具有温和正弦纳米织构的PSTSCs，它连接了构建硅表面的优势，同时保留了溶液处理钙钛矿的材料质量。研究表明，与平面织构相比，纳米织构大幅降低了反射损失，并通过优良的薄膜形成特性显著提高了制造成品率，并将开路电压提高了15 mV。为了应对寄生吸收损失的挑战，研究者进一步在硅底电池的背面实现了带有介质缓冲层(RDBL)的反射器。结合这两种方法，在硅底电池的前端采用温和的纳米纹理，在硅底电池的后部采用带有介质缓冲层的反射器，研究者演示了一个独立认证的PCE为29.80%的单片PSTSC。

图1 纳米织构PSTSC设计。

图2 钙钛矿膜的形成和形态。

图3 PSTSCs纳米结构的光学分析。

图4 纳米结构PSTSCs的太阳能电池特性。

图5 实现高性能纳米纹理PSTSCs的后RDBL。

在这项研究中，研究者将温和的亚微米周期纳米纹理和改进的背反射设计集成到整体PSTSCs中。纳米结构使溶液处理的钙钛矿顶部电池的产率，从平面的50%左右提高到纳米结构的硅底部电池的约95%。研究者进一步观察到反射损失的减少约为0.5 mA cm⁻²电流密度当量。结果，在钙钛矿和硅亚电池中观察到高达40.0 mA cm⁻²的组合短路电流密度，这是文献中报道的双端PSTSCs的最高值之一。灵敏度分析进一步表明，纳米织构在偏离最佳纳米晶硅氧化层厚度时大幅提高了性能鲁棒性，这是串联技术工业化和大面积加工的一个重要方面。改善PSTSC性能的主要驱动因素是开路电压增加了约15 mV，根据研究者的亚电池选择性EL表征，这完全源于钙钛矿顶部电池性能的改善。除了硅底电池正面的纳米纹理外，研究者还在电池背面进一步实现了RDBL。

该设计通过减少寄生吸收损失，进一步提高了硅底电池中的电流密度约0.3 mA cm⁻²。通过在一个PSTSC中结合纳米纹理和RDBL，研究者获得了29.80%的认证PCE。这些结果，为在不久的将来，在高效钙钛矿太阳能电池和其他金属卤化物钙钛矿光电器件中广泛应用纳米光学设计，铺平了道路。（文：水生）