文 章 信 息

MXene互连的高效钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池

第一作者：韩天娇

通讯作者：朱卫东*、仲鹏*、张春福*

单位：西电微电子学院、西安宝馨光能科技有限公司、西电广州研究院广州宽禁带半导体创新中心、西电先进材料与纳米科技学院

研 究 背 景

钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池有望实现35%以上能量转换效率（PCE），并且完成兼容现有工业级晶硅电池和钙钛矿太阳电池(PSCs)。本文通过MXene中间层实现半透明PSC顶电池 和TOPCon底电池的机械互联，制成了高效钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池。其中，半透明PSCs由宽带隙钙钛矿Cs0.15FA0.65MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜制成，并通过使用KPF6和CH3NH3Cl(MACl) 共添加剂有效减少了薄膜中的晶界和晶内缺陷，降低了非辐射复合概率，使半透明PSCs的PCE在反向扫描(RS)下达到了20.96%。在此基础上，将优化的半透明PSCs应用于MXene互连的两端机械叠层太阳电池 。测试发现，Mxene纳米片在不显著增加寄生吸收的同时，可增强叠层电池界面载流子传输，使得叠层电池的稳态PCE达到了29.65%，RS测试条件下PCE为30.26%。同时，其在连续光照120 min或在环境空气中保存1000 h后，分别能够保持其93%和92%初始性能，展现出良好的稳定性。

文 章 简 介

近日，来自西安电子科技大学&西安宝馨光能有限公司的朱卫东副教授、张春福教授等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“MXene-Interconnected Two-Terminal, Mechanically-Stacked Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with High Efficiency”的文章。该文章通过MXene中间层实现半透明PSC顶电池 和TOPCon底电池的机械互联，成功实现了稳定效率为29.65%的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池。基于这种结构的叠层太阳电池的子电池可以独立制备，并可直接采用双面绒面的晶硅太阳电池，同时保持PSC的溶液可加工性、低成本和可高通量制备等特点。硕士生韩天娇为本文第一作者，朱卫东副教授、仲鹏副教授和张春福教授为共同通讯作者，研究工作得到了张进成教授和郝跃院士的指导和帮助。

图1. 未添加、添加MACl和添加KPF6+MACl制备的Cs0.15FA0.65MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜的(a–c）SEM、(d–f）AFM、(g）XRD、(h）UV–vis吸收和(i）稳态PL测试结果。图（i）中的PL光谱是测试沉积在ITO/SnO2衬底样品所得到的。

图2. （a）在RS下测试的20个独立半透明PSCs的PCE统计结果；（b）在RS测试条件下，未添加、添加MACl和添加KPF6+MACl制备的最优半透明PSCs的J–V曲线；（c）使用KPF6+MACl添加剂制备的最优半透明PSC的EQE和Jsc积分曲线；（d-f）未添加、添加MACl和添加KPF6+MACl制得的典型半透明PSCs的（d）EIS、（e）TPC和（f）TPV测试结果。

图3. （a）MXene互连的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池结构示意图；（b）电池实物照；（c）沉积MXene后的TOPCon电池的表面SEM照片；（d）MXene薄片的低分辨率TEM、（e）高分辨率TEM和（f）HAADF STEM测试结果；（g1–g4）MXene薄片的能谱测试结果：（g1）Ti、（g2）C、（g3）F、和（g4）O；（h）石英和石英/MXene样品的透射光谱。

图4 （a）在RS测试条件下测得的TOPCon电池、半透明PSC以及使用和不使用Mxene互连层的叠层太阳电池的J-V曲线；（b）RS条件下测得的20个使用和不使用Mxene互连层的叠层太阳电池的PCE统计结果；（c-e）使用和不使用Mxene互连层的叠层太阳电池的：c）最大功率点附近的稳定输出、d）EQE和1-R曲线、e）FS/RS J–V曲线；（f）基于Mxene互连层的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池的长期存储稳定性测试结果。

本 文 要 点

要点一：采用KPF6和CH3NH3Cl(MACl) 添加剂协同优化钙钛矿薄膜

具有可调带隙、全覆盖和高结晶度特点的宽带隙钙钛矿薄膜对于钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池至关重要，文章使用一步法旋涂带隙为1.68 eV的 Cs0.15FA0.65 MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜，并对 KPF6 和MACl添加剂的协同改善作用进行了探索。研究表明，薄膜结晶特性性能的改善在很大程度上归因于MACl与残留溶剂的分子间交换，从而促进了 Cs0.15FA0.65 MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3晶粒的生长。KPF6添加剂可以促进MACl与残留溶剂的分子间交换，有效抑制非辐射电荷载流子复合，最终得到结晶性能优良的 Cs0.15FA0.65 MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜。基于此最优工艺，可以成功制备出PCE高达20.96%的半透明钙钛矿子电池，以备串联电池之需。

要点二：使用高电导率、高透光性、高柔韧度的中间互连层

制备钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池的另一关键点便是使用具有高电导率和低寄生吸收的互连层。MXenes的电导率值高达15100 S cm-1，同时具有高透明度、出色的柔韧性和可调的功函数等特点，厚度仅约5 nm的Mxenes薄膜便能实现大约90%的光学透过率，还可以改善光生载流子的分离和传输，因此文章提出使用Mxenes作为叠层电池的互连层。

要点三：开发高效率且易于制备的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池

通过将半透明PSCs和TOPCon电池机械堆叠在一起，并使用MXene薄片作为界面透明导电互连层，成功开发了钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池。由于半透明PSCs改善的效率和MXene薄片提供的较好的界面载流子传输作用，在RS测试条件下制备的钙钛矿/晶硅两端机械叠层太阳电池展现出30.26 %的自测效率和30.18 %的认证效率(稳态效率为29.65 %) 。同时，其在室温条件下具有出色的运行和存储稳定性。

文 章 链 接

MXene-Interconnected Two-Terminal, Mechanically-Stacked Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with High Efficiency

https://doi.org/10.1002/adfm.202311679

通 讯 作 者 简 介

朱卫东，西安电子科技大学微电子学院副教授，主要从事新型半导体材料、器件与电路研究。近五年来，依托西安电子科技大学宽禁带半导体国家工程研究中心、全国重点实验室、集成电路产教融合创新平台，在钙钛矿等新型半导体材料生长、探测/传感/光电转换器件以及电路模块研制方面取得了诸多创新成果。以第一作者/通讯作者发表论文45篇，累计他引1500余次，入选“ESI 高被引”论文6篇，H因子25；申请/授权发明专利15余项，转化5项。主持国家自然科学基金、装备预研、科技部重点研发计划子课题、科技部重大研究计划子课题、陕西省重点研发计划等国家级/省部级项目10余项。出版中英文专著2部，获陕西省科技工作者创新创业大赛一等奖、陕西省电子学会自然科学二等奖、芯缘创新奖等奖励。