效率达31.9%低铅/无铅钙钛矿叠层电池兼具高稳定性

 

传统光伏技术面临两大核心挑战：硅基电池效率逼近理论极限，而新兴的钙钛矿电池虽效率潜力巨大，却受制于有机组分导致的稳定性差及铅元素的环境毒性问题。美能QE量子效率测试仪可用于精确测量太阳电池的EQE与光谱响应，帮助优化界面工程和背接触设计，从而提升电池的量子效率和整体性能。

本研究提出一种创新的全无机钙钛矿叠层太阳能电池解决方案。该设计采用低铅钙钛矿CsPb₀.₇₅Sn₀.₂₅IBr₂（1.78 eV）作为顶部宽禁带吸收层，以捕获高能光子；同时选用完全无铅的双钙钛矿Cs₂TiI₆（1.02 eV）作为底部窄禁带吸收层，有效利用透射的低能光子。通过仿真优化吸收层厚度实现精准的电流匹配，该叠层结构成功将高效率与高稳定性、低环境毒性相结合，最终实现了31.9%的功率转换效率，为发展可持续的高性能光伏技术提供了明确路径。

研究方法与电池结构

 

(a) 基于独立 CsPb₀.₇₅Sn₀.₂₅IBr₂ 吸收层的顶部子电池器件结构(b) 基于独立 Cs₂TiI₆ 吸收层的底部子电池器件结构(c) 基于 CsPb₀.₇₅Sn₀.₂₅IBr₂/Cs₂TiI₆ 的多层叠层太阳能电池结构

本研究采用SCAPS-1D一维模拟器，在 AM1.5G 光谱、1 个太阳辐照（1000 W/m2）和300 K温度条件下，对串联电池进行性能模拟。

器件结构设计

顶电池：前电极 / N-PDI（电子传输层 ETL）/CsPb0.75Sn0.25IBr2（吸收层）/Spiro-OMeTAD（空穴传输层 HTL）/ 背电极

底电池：前电极 /TiO2（ETL）/Cs2TiI6（吸收层）/PEDOT（HTL）/ 背电极

串联结构：通过电流匹配技术优化两子电池的吸收层厚度，实现光耦合与电荷传输协同。

关键参数设置

(a) CsPb₀.₇₅Sn₀.₂₅IBr₂ 顶部子电池吸收层的吸收系数谱(b) Cs₂TiI₆ 底部子电池吸收层的吸收系数谱

各层材料的电学参数（如禁带宽度、迁移率、缺陷密度等）均按光伏器件模拟标准输入 SCAPS-1D，吸收层厚度调节范围为100-1000 nm，ETL/HTL厚度调节范围为50-250 nm，界面缺陷密度测试范围为1010cm-2至1018cm-2。

单结子电池性能

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顶部子电池在500 nm吸收层厚度下：(a) J-V 曲线(b) EQE 曲线；底部子电池在500 nm吸收层厚度下：(c) J-V 曲线(d) EQE 曲线

单独测试顶、底电池的光伏性能显示：

顶电池（吸收层 500 nm）：短路电流密度（JSC）= 15.16 mA/cm²，开路电压（VOC）= 1.41 V，填充因子（FF）= 87.41%，功率转换效率（PCE）= 18.77%。外部量子效率（EQE）曲线在700 nm波长处降至零。

底电池（吸收层 500 nm）：JSC = 33.38 mA/cm²，VOC = 0.79 V，FF = 85.80%，PCE = 22.63%。EQE曲线在1200 nm波长处降至零。

进一步分析偏压与无偏压条件下的能带结构、载流子分布和电流传输特性，发现 ETL 区域电子浓度较高，HTL 区域空穴浓度较高，吸收层中载流子分布均匀，为串联优化提供了基础数据。

ETL/HTL厚度变化的影响

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独立顶部子电池在ETL厚度变化（50–250 nm）时：(a) J-V 曲线(b) 光伏参数变化；在HTL厚度变化（50–250 nm）时：(c) J-V 曲线(d) 光伏参数变化

独立底部子电池在ETL厚度变化（50–250 nm）时：(a) J-V 曲线(b) 光伏参数变化；在HTL厚度变化（50–250 nm）时：(c) J-V 曲线(d) 光伏参数变化

对于顶部子电池，增加ETL（N-PDI）厚度会加剧复合，导致JSC和PCE下降，而HTL（Spiro-OMeTAD）厚度的变化对性能影响甚微。

对于底部子电池，ETL（TiO₂）和HTL（PEDOT）厚度的变化均未对光伏参数产生显著影响。

界面缺陷对顶 / 底电池的影响

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界面缺陷对顶部子电池性能的影响：(a，c) J-V 曲线及 (b，d) 光伏参数

界面缺陷对底部子电池性能的影响：(a，c) J-V 曲线及 (b，d) 光伏参数

顶部子电池：ETL/吸收层（N-PDI/CsPb₀.₇₅Sn₀.₂₅IBr₂）界面缺陷密度的增加会显著降低JSC、VOC和PCE；而吸收层/HTL界面的缺陷主要影响VOC，对JSC影响较小。

底部子电池：ETL/吸收层（TiO₂/Cs₂TiI₆）界面缺陷对JSC和PCE的影响极为显著；吸收层/HTL界面缺陷则主要影响VOC和FF，对JSC无影响。

单结顶 / 底电池吸收层厚度变化的影响

 

吸收层厚度变化对光伏参数的影响：(a) 顶部子电池吸收层(b) 底部子电池吸收层

顶部吸收层（CsPb₀.₇₅Sn₀.₂₅IBr₂）厚度从100 nm增至1000 nm，由于光吸收增强，JSC和PCE持续提升，最高PCE达20.66%（厚度1000 nm）。

底部吸收层（Cs₂TiI₆）存在最佳厚度：在300 nm时获得最高PCE为24.55%，超过此厚度后因体内复合增加导致效率下降。

叠层电池仿真与电流匹配

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在滤波光谱下，顶部与底部电池厚度变化对叠层电池光伏参数的综合影响：(a) 开路电压(b) 填充因子(c) 短路电流密度(d) 功率转换效率

通过系统调整顶部和底部吸收层厚度，找到了电流匹配点。当顶部CsPb₀.₇₅Sn₀.₂₅IBr₂厚度为970 nm，底部Cs₂TiI₆厚度为200 nm时，两子电池在滤波光谱条件下的JSC达到16.84 mA/cm²的共同值。          

在此电流匹配点，叠层电池的性能为：

JSC = 16.84 mA/cm²

VOC = 2.18 V（顶部1.39 V + 底部0.79 V）

FF = 86.97%

PCE = 31.93%

该效率显著高于各独立子电池的效率之和，体现了叠层结构在充分利用太阳光谱方面的优势。

本研究提出并模拟了一种环境友好型全无机钙钛矿叠层太阳能电池。顶部子电池采用低铅的CsPb₀.₇₅Sn₀.₂₅IBr₂（1.78 eV），底部子电池采用无铅的Cs₂TiI₆（1.02 eV）。通过优化吸收层厚度实现电流匹配，该叠层设计实现了31.93%的高转换效率和2.18 V的高开路电压，同时在材料层面兼顾了降低铅毒性和增强无机稳定性的优势。

这项工作为开发高效、稳定且可持续的光伏技术提供了一条有前途的路径。未来的研究可集中于进一步改善材料长期稳定性、优化器件结构以获得更佳的电流匹配，以及推动该设计走向实际制备与规模化应用。

美能QE量子效率测试仪

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美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求

光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

美能QE量子效率测试仪通过精准测量电池在300-900 nm短波范围内的光谱响应，为验证本研究中钝化性能的提升提供了关键实验数据。
 

原文参考：Current matched all perovskite tandem solar cells with low lead perovskites achieving 31.9% efficiency and enhanced stability

 

 

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