界面介电屏蔽延长载流子扩散实现高稳定性钙钛矿/TOPCon叠层太阳能电池

《Advanced Science》：Extending Carrier Diffusion via Interfacial Dielectric Shielding for Operationally Stable Perovskite/TOPCon Tandem Solar Cells

本研究通过引入高介电常数氧化铌（NbOX）电子选择性接触层，有效解决了钙钛矿/硅叠层太阳能电池中因钙钛矿/C60界面低介电环境导致的载流子扩散长度不足问题。NbOX层通过缩小界面缺陷捕获半径抑制载流子陷阱，并通过Pb-O键形成钝化未配位Pb2+缺陷，将载流子扩散长度从1.32μm提升至2.64μm。最终单结钙钛矿电池效率达22.4%（650小时MPP跟踪保持91%），叠层器件效率达32.0%（200小时MPP跟踪保持初始性能），为高效稳定叠层器件开发提供了新思路。

　　

1 引言

钙钛矿/硅叠层太阳能电池认证效率已接近35%，远超单结电池肖克利-奎伊瑟极限，但其运行稳定性仍远不及晶硅电池。关键问题在于钙钛矿/电子传输层（ETL）界面——通常由富勒烯（C₆₀）形成——存在严重非辐射复合和能级失配。与单结器件不同，叠层器件中光从C₆₀侧入射，C₆₀的低介电常数（≈4）导致弱静电屏蔽，增强载流子间库仑吸引力，增加ETL界面附近双分子复合概率，缩短载流子扩散长度。这在需要厚钙钛矿层（700-900nm）覆盖织构硅表面的单片叠层中尤为严重，有限扩散长度导致体相载流子积累，加速离子迁移并损害稳定性。现有钝化层如碱金属氟化物（LiF_X、MgF_X）和氧化物（AlO_X、SiO_X）虽能通过化学键合或场效应钝化中和界面陷阱，但无法缓解介电失配，其低介电常数难以抑制声子辅助复合。因此，需设计兼具缺陷钝化、强静电屏蔽、减少载流子积累和高效载流子提取的介电工程界面接触层。

2 结果与讨论

研究在1.68eV宽带隙三阳离子混合卤化物钙钛矿Cs_0.05(FA_0.77MA_0.23)_0.95Pb(I_0.77Br_0.23)₃与C₆₀间沉积超薄NbO_X中间层。该薄膜具有约3.4eV光学带隙和300-1200nm高透光性，X射线衍射（XRD）显示其为非晶态，有利于避免晶界陷阱。XRD显示NbO_X沉积后钙钛矿（100）晶面半高宽从0.135°缩至0.122°，PbI₂与（100）峰强度比从0.539降至0.405，扫描电镜（SEM）表明表面PbI₂富集区减少。X射线光电子能谱（XPS）证实NbO_X中铌呈高价态，O 1s谱在530.5eV出现Pb-O键特征峰，Pb 4f谱结合能升高，傅里叶变换红外光谱（FTIR）在780cm^?1出现新振动峰，共同验证Pb-O键形成。金属Pb⁰信号被显著抑制，表明深能级缺陷减少。

时间分辨荧光寿命成像（FLIM）显示NbO_X钝化后载流子扩散系数从0.019cm²s^?1提升至0.028cm²s^?1。稳态光致发光（SSPL）强度增强且半高宽变窄，时间分辨PL（TRPL）显示快慢衰减寿命（τ₁/τ₂）从5.349/38.589ns延长至9.017/102.562ns，有效寿命提升近三倍。结合扩散系数与寿命，载流子扩散长度从1.32μm增至2.64μm。二维寿命与PL mapping表明载流子寿命空间分布更均匀，发射峰半高宽从45.4nm缩至43.3nm。

开尔文探针力显微镜（KPFM）显示表面平均接触电位差从-443.7mV升至-367.4mV，紫外光电子能谱（UPS）表明功函数从4.79eV降至4.20eV，钙钛矿导带底与C₆₀的导带偏移从0.57eV减至0.37eV，改善能级对齐。C₆₀覆盖后PL强度下降但NbO_X样品残余PL更高，TRPL证实τ₂从22.8ns延至94.3ns，有效寿命从0.4μs增至1.7μs，表明界面缺陷钝化而非电子注入受阻。

倒置结构单结电池（玻璃/ITO/4PADCB/钙钛矿/NbO_X/C₆₀/SnO_X/IZO/Ag）中，优化NbO_X厚度后冠军效率从19.3%提升至22.4%，开路电压（V_OC）从1.15V增至1.23V，填充因子（FF）从79.9%提至83.4%，外量子效率（EQE）积分电流密度20.9mA cm^?2。最大功率点（MPP）跟踪650小时后效率保持91%，而对照组170小时后降至80%。空间电荷限制电流法（SCLC）测陷阱密度从3.73×10¹⁵cm^?3降至2.92×10¹⁵cm^?3，莫特-肖特基分析显示内建电势从0.95V增至1.08V，电化学阻抗谱（EIS）表明复合电阻增大。

将钝化顶电池与双面织构TOPCon硅底电池集成，通过1nm 4PADCB自组装单分子层与10nm IZO构建复合层，叠层电池效率达32.0%（V_OC=1.93V，J_SC=20.5mA cm^?2，FF=80.6%），EQE显示顶底电池电流匹配。未封装器件200小时MPP跟踪后性能保持初始水平，而对照组降至80%。

3 结论

通过高介电NbO_X中间层实现钙钛矿/C₆₀界面介电工程，协同缺陷钝化与静电屏蔽作用延长载流子扩散长度，显著提升钙钛矿/硅叠层电池效率与运行稳定性，为高性能叠层光伏技术发展提供新路径。