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全钙钛矿串联太阳能电池(TSCs)有望以低成本实现高功率转换效率。小面积(<0.1 cm2) TSCs效率的快速提高主要是由低带隙(~1.25 eV)钙钛矿底亚单元的进步推动的。然而，对于宽带隙(WBG，>1.75 eV)钙钛矿顶亚单元，目前仍存在较大的电压和填充因子(FF)损失，特别是对于大面积(>1 cm2) TSCs，仍存在未解决的问题。
2023年3月29日，四川大学赵德威、陈聪、厦门大学唐卫华及瑞士联邦材料科学与技术研究所付帆共同通讯在Nature在线发表题为“All-perovskite tandem 1 cm2cells with improved interface quality”的研究论文，该研究表明全钙钛矿串联的1平方厘米的电池，其界面质量得到改善。该研究开发了一种新型的自组装单分子层(4-(7H-二苯并[c,g]咔唑-7基)丁基膦酸(4PADCB)作为WBG钙钛矿太阳能电池(PSCs)的空穴选择层，该层通过抑制界面非辐射重组促进了高质量WBG钙钛矿的大面积生长，从而实现了高效的空穴提取。
将4PADCB集成到器件中，该研究在1.77-ev的PSC中展示了1.31 V的高开路电压(VOC)，对应于0.46 V的创纪录低VOC赤字(相对于带隙)。使用这些WBG钙钛矿亚电池，作者报告了27.0%(26.4%经认证稳定)单片全钙钛矿TSCs，孔径面积为1.044 cm2。经认证的串联电池显示了2.12 V的高VOC和82.6%的FF的出色组合。总之，该研究展示的大面积TSCs具有认证记录效率的大面积TSCs，这是升级全钙钛矿串联光伏技术的关键一步。
全钙钛矿TSCs有望超越单结太阳能电池的Shockley-Queisser (SQ)效率极限。小面积单片全钙钛矿TSCs的认证功率转换效率(PCE)已达到28%，超过了最佳单结对应物(25.7%)。全钙钛矿串联PCE的快速增加主要是由低带隙(LBG, 1.2-1.3 eV)钙钛矿(PVSK)亚电池的进步驱动的，然而，相对较大的电压损失限制了WBG (~1.8-eV)钙钛矿亚电池，这对于实现高效串联同样重要。除了非辐射电压损失外，WBG PSCs的填充因子(FFs)相对较低，特别是对于面积为>1 cm2的WBG PSCs。
WBG PSCs中可观的VOC亏缺(定义为Eg/q-VOC)主要归因于WBG钙钛矿吸收体本身的高陷阱密度和电荷选择接触带对准不良。在全钙钛矿串联中，通过更宽的带隙(>1.75-eV)来减轻钙钛矿中的VOC亏损是非常具有挑战性的。WBG PSCs和全钙钛矿串联的性能也受到相对较低的FF的限制，通常低于80%。低FF主要是由于薄膜均匀性差，电荷输运不理想，PVSK与电荷选择层之间无辐射复合。对于具有较大有源面积(> 1 cm2)的器件，这种限制更为明显。
ITO、HTLs和PVSK之间的材料特性和互连原理图（图源自Nature）
最近，Albrecht等人发现，用自组装单分子层(SAM)取代传统的空穴传输层(HTL)聚(双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺(PTAA)抑制了界面非辐射重组，并允许快速空穴提取，从而提高了钙钛矿/Si串联中的VOC和FF。然而，对于某些SAM，例如[4-(9H-卡唑-9-基)丁基]膦酸(4PACz)，实现SAM在透明导电氧化物(TCO)上的完美覆盖或钙钛矿的润湿可能具有挑战性。人们迫切需要合理的分子设计，以优化能级匹配、成膜和电荷传输/收集能力之间的平衡，从而为大规模WBG PSCs和全钙钛矿TSCs创造新的前景。
为此，该研究设计了一种新型SAM (4-(7H-二苯并[c,g]卡唑-7-基)丁基膦酸(4PADCB)，通过构建新的7H-二苯并羧基(DCB)末端基团，提高了薄膜覆盖率和表面润湿性。这些优点允许快速抽孔和抑制界面非辐射复合。该研究报告了27.0%效率的单片全钙钛矿串联(1.044 cm2)和厘米级全钙钛矿串联的最高认证值(26.4%)。
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05992-y
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