Edward H. Sargent教授，加拿大皇家科學(xué)院院士，加拿大工程院院士，加拿大科技部納米技術(shù)分部主席，InVisage Technologies 創(chuàng)始人，Xagenic共同創(chuàng)始人，AAAS會(huì)士，IEEE會(huì)士，ACS Photonics副主編。Edward H. Sargen教授是材料學(xué)和光子學(xué)鄰域世界著名科學(xué)家，因其在可溶相處理的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池和光探測(cè)器研究中所作出的杰出貢獻(xiàn)，當(dāng)選Fellow of the AAAS；因其在膠體量子點(diǎn)光電子器件研究中所作出的貢獻(xiàn)，當(dāng)選Fellow of the IEEE；因其在利用量子限域材料制備全光譜太陽(yáng)能電池和超靈敏光探測(cè)器研究中所作出的貢獻(xiàn)，當(dāng)選加拿大工程院院士。

2022年11月15日，Nature網(wǎng)上更新了Sargent教授最新接收的文章，這篇文章于2022年6月24日投稿，2022年11月8日接收，11月15日上線，流程不到5個(gè)月，這速度真快！

迄今為止，他已發(fā)表Nature系列文章139篇，其中16篇Nature正刊，Science系列文章16篇，其中14篇Science正刊。合計(jì)發(fā)了30篇正刊的科學(xué)家，估計(jì)沒(méi)幾個(gè)吧。

本工作中，多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授和托萊多大學(xué)鄢炎發(fā)教授等人合作，發(fā)表文章Regulating surface potential maximizes voltage in all-perovskite tandems，通過(guò)界面的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的串聯(lián)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能。

使用金屬鹵化物鈣鈦礦(~ 1.2 eV – 3.0 eV)可獲得廣泛的帶隙，使硅、銅銦鎵硒(CIGS)和有機(jī)光伏串聯(lián)太陽(yáng)能電池成為可能。最近，由寬帶隙(WBG) ~1.8 eV和窄帶隙(NBG) ~1.2 eV層堆疊而成的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池超越了單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)的最高能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)記錄。

盡管進(jìn)展迅速，但由于WBG電池的開(kāi)路電壓(Voc)損失較大，串聯(lián)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的PCE受到限制。雖然單結(jié)~ 1.5 eV的PSCs已經(jīng)顯示出Voc損失(帶隙和器件Voc之間的差異)低至0.3 V，帶隙>1.75 eV的混合碘化物/溴化物的PSCs還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)Voc損失低于0.5 V。有人認(rèn)為，Voc損失是由于鈣鈦礦中Br濃度>20%時(shí)陷阱密度的增加，光誘導(dǎo)鹵化偏析以及電荷傳輸層的能量排列差。

鈣鈦礦一旦與電荷輸運(yùn)層接觸，光致發(fā)光量子產(chǎn)率(PLQY)就會(huì)急劇下降，這表明鈣鈦礦/傳輸層界面在鈣鈦礦帶隙內(nèi)產(chǎn)生了重組途徑。準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)劈裂(QFLS)測(cè)量表明，在電子傳輸層(ETL)接觸處有Voc限制重組。

作者發(fā)現(xiàn)，這源于表面電位不均勻和鈣鈦礦ETL能量排列不良。普通的單銨表面處理無(wú)法解決這一問(wèn)題。作者引入了二銨分子來(lái)修飾鈣鈦礦的表面狀態(tài)，從而獲得更均勻的表面電位空間分布。使用1,3-丙烷二銨(PDA)，QFLS提高了90 meV，使1.79 eV PSCs具有1.33 V的Voc以及>19%的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)。將該層加入到單片全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池中，作者實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的Voc，為2.19 V(為Voc極限值的89%)和>27%的PCE(準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)認(rèn)證結(jié)果為26.3%)。這些串聯(lián)電池在操作500小時(shí)后仍保留86%以上的初始PCE。

圖1. 鈣鈦礦與ETL的復(fù)合:分析與最小化策略

圖2. 表面不均勻性及其表面吸附分子層的修復(fù)

圖3. WBG鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的表征

圖4. 鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池的光伏性能和穩(wěn)定性

Chen, H., Maxwell, A., Li, C. et al. Regulating surface potential maximizes voltage in all-perovskite tandems. Nature (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z