单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池的功率转换效率超过了单结太阳能电池的极限，但在运行稳定性方面面临挑战。
在此，电子科技大学贾春阳教授，罗军生研究员，新加坡国立大学So Min Park和Mingyang Wei等人发现填充因子降低是当前最先进的叠层结构中关键的性能损失模式，从而揭示了广泛使用的空穴选择性分子接触虽然增强了叠层电池的性能，但会在高温下发生热降解，从而破坏电荷传输。
在高温下，传统单体接触的电阻因热诱导的无序而增加了约六倍。为了稳定界面结构，本文引入了基于席夫碱键的原位合成交联分子接触，其1cm2的钙钛矿/硅叠层太阳能电池实现了超过34%的功率转换效率（认证效率为33.61%），并且在65°C下，经过约1200小时的最大功率点运行后，三个独立器件仍保持了其初始性能的96.2±1.7%。
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研究背景
由晶体硅（c-Si）底电池和宽带隙（WBG；约1.68 eV）钙钛矿顶电池组成的单片叠层太阳能电池，以具有竞争力的成本突破了单结太阳能电池的肖克利-奎塞尔极限。钙钛矿/硅叠层太阳能电池的认证功率转换效率（PCE）已达到34.6%，但其有限的运行稳定性仍然是一个持续的挑战。例如，报道的最高PCE器件（PCE > 33%）在室温下最大功率点（MPP）运行时表现出性能退化。
宽带隙钙钛矿中的本征离子迁移和光诱导相分离被认为是限制叠层电池稳定性的关键因素。然而，与最先进的叠层器件相比，一些单结宽带隙钙钛矿太阳能电池（PSCs）在高温下已展现出有希望的运行稳定性。这些改进主要源于通过成分工程、添加剂引入和界面工程在钙钛矿薄膜中实现的增强的体相和界面特性。
近年来，自组装单分子层（SAMs）通过加速空穴提取，相对于限制填充因子（FFs）的传统空穴传输层，推动了性能突破。它们的超薄特性最小化了传输损耗，同时提供了均匀覆盖和化学钝化，以减少界面非辐射复合，创纪录的钙钛矿/硅叠层使用了基于膦酸的SAMs来增强空穴选择性。然而，最近的研究表明，这些SAMs由于化学分解、解吸和弱界面粘附而存在稳定性问题。SAM降解对叠层电池稳定性的影响需要进一步研究。
主要内容
本文在加速老化条件下追踪了最先进的钙钛矿/硅叠层的电流密度-电压（J-V）特性，以阐明其退化机制。最先进的钙钛矿/硅叠层太阳能电池采用基于双面、有纹理的n型Czochralski硅片的硅异质结作为底电池。
本文通过复制高效率倒置器件结构，使用化学蚀刻硅片和铟锌氧化物（IZO）复合层来确保钙钛矿顶电池的完全覆盖和自组装单分子层（SAMs）的均匀覆盖。
在ISOS-L-2协议下，封装后的器件在65°C、连续光照和最大功率点（MPP）跟踪条件下进行了1200小时的加速老化测试。
结果显示，平均功率转换效率下降了5.1%（绝对值），相对效率损失19.5%，主要由填充因子下降13.7%驱动，开路电压（VOC）和短路电流（JSC）也有微小变化。单结宽带隙钙钛矿太阳能电池的测试结果也表明，填充因子的损失是主要退化因素。
为了加强不稳定的单体SAMs，本文利用席夫碱化学，展示了从可交联的构建块中原位聚合接触。这种方法最小化了空穴选择性接触的热降解，改善了电学特性，并抑制了非辐射复合，最终实现了钙钛矿/硅叠层太阳能电池在65°C高温下的稳定运行。
图1：最新钙钛矿/Si串联太阳能电池的特性研究。
图2：热老化会降低单体4PACz自组装单层膜中的电荷传输性能。
图3：聚合物CL-SAMs的设计与热稳定性。
图4：钙钛矿/Si串联太阳能电池的CL-SAMs光伏性能。
结论展望
综上所述，本文通过将性能退化与电流密度-电压（J-V）特性相关联，研究了这些叠层结构的长期稳定性状态。结果显示填充因子的恶化是主要的退化机制，这与目前强调宽带隙钙钛矿的体相和界面退化的认知有所不同。
研究显示，虽然单体SAMs能够提高空穴选择性，但它们可能会表现出热诱导的无序，从而破坏通过单分子层的电荷传输。采用席夫碱键开发了一种交联策略，通过该策略不仅稳定了SAM结构，还同时改善了界面钝化和钙钛矿薄膜质量。因此，本文实现了钙钛矿/硅叠层太阳能电池33.61%的认证功率转换效率。
文献信息
Boxue Zhang?, Junsheng Luo?*, Haomiao Yin, Qing Li, Siqi Sun, Ningxuan Zhang, Nan Gan, Muhammad Azam, Tae Wan Park, Zhongquan Wan, Chunyang Jia*, Mingyang Wei*, So Min Park*,A cross-linked molecular contact for stable operation of perovskite/silicon tandem solar cells, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady6874
