太阳能是地球上分布广泛、绿色清洁、取之不尽的优质能源。对太阳能的开发利用具有很高的经济效益，从长远利益考虑，也符合国家的能源战略安全。有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，由于其优异的光电性能，效率在短短10年间已达到25.2%，同时具有易溶液加工，成本低廉等优点，展现出非常高的学术价值和产业化前景。但随着单节钙钛矿太阳能电池不断地接近Shockley-Queisser极限，进一步提高光电转换效率的空间不断变小，而制备多结叠层太阳能电池是一种进一步提高光电转化效率最为可行和有效的办法之一。近来，北卡罗来纳大学教堂山分校的黄劲松团队发现，通过在窄带隙钙钛矿中加入微量Cd2+离子，可以有效减小窄带隙钙钛矿的自掺杂现象并提升电子扩散长度，从而把窄带隙钙钛矿电池和对应的叠层太阳能电池效率分别提高到20.3%和23.0%。
在制备高效率全钙钛矿叠层太阳能电池时，制备出高质量的窄带隙钙钛薄膜是一个关键挑战。现在窄带隙钙钛矿主要为铅锡混合钙钛矿，而该种钙钛矿具有高的缺陷态密度、自掺杂严重、易氧化、红外区吸收系数小等问题。通过光学模拟可以看到（图1a），要实现钙钛矿太阳能电池的效率最优化，窄带隙钙钛矿薄膜的厚度得1微米左右。但是，在单节窄带隙钙钛矿太阳能电池的研究中发现，随着钙钛矿薄膜的厚度的增加，钙钛矿太阳能电池的电流密度并不是线性增加的，而是当厚度大于580纳米之后，电流密度反而有下降的趋势。因此，他们通过测定钙钛矿薄膜的载流子迁移率和寿命来计算扩散长度（图1b-1d），结果发现，电荷收集效率低的主要原因来自于较短的电子扩散长度（仅为0.78微米），无法在1微米厚的薄膜中有效导出电子。通过进一步的研究发现，较短的电子扩散长度主要源于薄膜中Sn空位引起的自掺杂和较高的电子缺陷态密度。因此，他们尝试通过加入微量的具有较小离子直径的金属离子来填补Sn2+空位，最后发现，加入微量Cd2+离子，可以有效减小背景载流子浓度和电子缺陷态密度，并有效延长电子扩散长度（图1e-1f）。从而把单节窄带隙钙钛矿太阳能电池的效率提高到20.3%，同时，通过良好的电流匹配，把全钙钛矿太阳能电池的效率提高到23.0%（图2）。
图1. a, 全钙钛矿双节叠层太阳能电池的光学模拟。b和c，空穴和电子载流子迁移率的测试。d，载流子寿命的测试。e，背景载流子浓度的测试。f, 电子缺陷态密度的测试。
图2. 全钙钛矿叠层太阳能电池的结构（a），性能（b）和外量子效率（c）。
该工作的主要贡献在于发现了窄带隙钙钛矿厚膜太阳能电池低性能的主要原因——较短的电子载流子扩散长度，同时提出了一种通过反自掺杂的方法来提升电子载流子扩散长度，为进一步提升窄带隙钙钛矿的质量提供了一种方法。
这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是黄劲松课题组的博士后仰志斌，现已入职上海交通大学。
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Enhancing electron diffusion length in narrow-bandgap perovskites for efficient monolithic perovskite tandem solar cells
Zhibin Yang, Zhenhua Yu, Haotong Wei, Xun Xiao, Zhenyi Ni, Bo Chen, Yehao Deng, Severin N. Habisreutinger, Xihan Chen, Kang Wang, Jingjing Zhao, Peter N. Rudd, Joseph J. Berry, Matthew C. Beard, Jinsong Huang
Nat. Commun., 2019, 10, 4498, DOI: 10.1038/s41467-019-12513-x
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