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)體太陽能電池和光探測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能電池和超靈敏光探測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)太陽能電池超越了單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池(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電池的開路電壓(Voc)損失較大，串聯(lián)鈣鈦礦太陽能電池的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法解決這一問題。作者引入了二銨分子來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鈣鈦礦太陽能電池的表征

圖4. 鈣鈦礦串聯(lián)太陽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