最新Nature: 抑制广角光损失和非辐射复合,实现高效钙钛矿太阳能电池

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为光伏技术中的领先候选者迅速崛起，通过器件结构和材料工程的进步，其光电转换效率（PCE）已超过26%。然而，大多数报道的效率是在垂直模拟阳光条件下测量的，却忽略了随入射角度变化而导致的严重能量损失。由于阳光角度在一天中不断变化，当光线入射角超过40°时，PSCs会经历显著的短路电流密度（Jsc）和效率损失，从而限制了其大规模应用的可能性。因此，减少大角度光能量损失和非辐射复合是实现实际应用的关键。

而目前大量的研究致力于材料工程策略，包括体相掺杂和界面钝化，以提高钙钛矿的结晶性并抑制非辐射复合。相比之下，基底结构对钙钛矿结晶过程及其结晶性产生的关键影响却鲜有报道。特别是，基底结构显著影响光线在钙钛矿吸收层中的传播以及载流子在界面的传输行为。例如，使用纹理化基底可以有效捕获入射光，通过延长光学路径增加光的陷获，从而增强短路电流密度。然而，关于能量损失抑制机制以及钙钛矿在这些纹理化结构上的生长仍需进一步深入研究。此外，开发用于纹理化基底的双层构造的共形电荷传输层有助于改善电荷传输。同时，电子传输层材料的选择也对光和载流子管理具有重要影响。例如，在n–i–p PSCs中，二氧化锡在550nm波长处的折射率（n）约为1.9，与包括氧化铟锡（ITO）和氟掺杂氧化锡（FTO）在内的透明导电氧化物（TCO）基底具有良好的光学兼容性。相对而言，折射率更高的电子传输层（如二氧化钛）在界面处引入了更大的反射损失。此外，FTO和二氧化钛之间的导带错配可能加剧电荷提取效率的降低，进一步损害器件性能。

为此，2025年1月9日武汉大学柯维俊&方国家&瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel于Nature Photonics刊发抑制广角光损失和非辐射复合，实现高效钙钛矿太阳能电池的研究成果，研究介绍了一种解决此问题的通用策略。在论文中，团队采用了一种特殊设计的TCO基底，这种基底是带有高度分布的纳米板（NP-FTO）结构的FTO涂层玻璃基底。这种配置在宽光谱范围内显著减少了大角度光损失，其性能优于普通TCO基底，包括标准ITO和不具有此类结构的标准FTO。更重要的是，沉积在NP-FTO上的钙钛矿表现出更好的结晶性和载流子迁移率。此外，通过结合原子层沉积（ALD）和旋涂技术的全二氧化锡电子传输层大限度地减少了光损失和非辐射复合，使n–i–p结构器件的PCE达到了26.4%（经认证为25.9%）。此外，NP-FTO在高性能全钙钛矿叠层太阳能电池中也显示出了巨大潜力，其最佳PCE达到了28.2%。

内容来源：Ge, Y., Zheng, L., Wang, H. et al. Suppressing wide-angle light loss and non-radiative recombination for efficient perovskite solar cells. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01570-4