Co-evaporated compositionally modulated interfaces in perovskite/Si tandems
本研究表明，无溶剂共蒸发技术能够实现在钙钛矿/硅叠层太阳能电池中构建垂直成分分布的 2D/3D 界面，通过消除体积较大的有机阳离子并确保相干晶体连通性及抑制缺陷形成，实现了创纪录的 30.93% 效率和卓越的长期稳定性。
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追求更高效太阳能的探索长期以来一直聚焦于一个简单的理念：通过将不同的材料堆叠在一起，来捕捉更多的太阳能量。想象一下，一个三明治，顶层被设计用来捕捉高能蓝光，而底层则捕捉穿透而过的低能红光。这就是叠层太阳能电池所承载的愿景，特别是将一种名为钙钛矿的合成晶体与传统的硅材料相结合。虽然这种组合已经打破了效率记录，但一个顽固的问题依然存在。随着时间的推移，这些器件往往会发生退化，失去发电能力。罪魁祸ษ通常隐藏在器件内部深处，即两个图层相遇的那个肉眼不可见的界面处。在这里，晶体结构中的微小缝隙允许原子游走并发生反应，导致材料在原本旨在收集能量的阳光照射下发生分解。多年来，科学家们一直试图利用液体化学物质来修补这些缝隙，但这些液体中的溶剂往往会溶解掉它们试图保护的脆弱图层，从而陷入了一种破坏而非修复的恶性循环。
一组研究人员现在发现了一种方法，可以在不使用任何液体的情况下，为这些太阳能电池构建一个更强大、更稳定的基础。他们没有倾倒化学物质，而是使用了一种称为共蒸发（co-evaporation）的技术，这本质上是一种通过真空环境逐个原子沉积材料的“干法”方法。通过在薄膜生长的最初几刻精确控制原料的流动，他们在钙钛矿薄膜的底部创建了一个特殊的种子层。这个层是两种不同晶体结构的独特混合物，它们像连锁的砖块一样完美契合，形成了一个无缝的桥梁，连接到上方的主要吸光层。至关重要的是，这个种子层富含一种特定的成分，能够填补原子通常会缺失的微小缝隙，从而防止导致失效的破坏性化学反应。由于该过程是干式的，它避免了液体方法带来的混乱溶解问题，使研究人员能够从底层开始精准编程材料的精确组分。
这一方法的成果令人瞩目。当团队使用这种新型埋入式界面构建太阳能电池时，他们实现了30.93%的光电转换效率，这是该技术的一次重大飞跃。但真正的突破在于设备随时间推移的表现。在测试中，当这些电池在氮气环境下在强光下持续运行时，新设计的性能在1,820小时后仍保持在初始性能的90%。相比之下，没有这种特殊种子层的标准电池失效得要早得多，在不到300小时内就降到了同样的性能水平。研究人员证实，这种稳定性源于界面的原子级完美性。利用能够观察到单个原子的强大电子显微镜，他们观察到新设计中的晶体结构是连续且不间断的，没有任何可以让原子滑落的缝隙。这种连续性允许电流自由流动，同时让材料保持在稳定的状态，有效地在降解过程开始前就将其阻止。
这项研究还阐明了为什么以往修复这些界面的尝试往往以失败告终。许多早期的方案依赖于在表面添加体积较大的分子作为屏蔽层。虽然这些分子可以阻挡部分损伤，但它们也像路障一样，减缓了电流的流动并降低了电池的整体效率。新方法完全避免了这种权衡。通过使用与主晶体基本组成单元相同、只是排列方式略有不同的种子层，研究人员创造了一种既能阻止损伤又不会阻碍能量流动的屏障。显微图像显示，新层中的原子与上方的原子完美对齐，为电荷的传输创造了一条平滑、连续的路径。这种对齐防止了通常会在光热作用下触发材料分解的缺陷形成。
为了证明这种设计在现实环境中的有效性，团队将其应用于完整的太阳能电池堆叠，将这种新型钙钛矿层直接放置在硅电池之上。由此产生的器件不仅表现出色，而且展现出了卓越的韧性。研究人员持续追踪该器件的输出，观察它如何应对持续光照带来的压力。数据表明，新界面成功抑制了通常会导致太阳能电池功率下降的内部化学变化。通过消除薄膜底部的薄弱环节，整个结构变得更加稳固。这项工作表明，解锁下一代太阳能潜力的关键可能不在于寻找新的、奇异的材料，而在于掌握我们现有材料的精确排列方式。通过控制这些材料从最初时刻开始的生长方式，科学家可以创造出不仅效率更高，而且经久耐用的太阳能电池，让我们离一个太阳能既强大又持久的未来更近一步。
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