▲第一作者：应智琴
共同通讯作者：叶继春，杨熹
通讯单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究
论文DOI：10.1021/acsenergylett.4c01594 （点击文末「阅读原文」，直达链接）
本文开发出首个全织构化溶液法钙钛矿保形覆盖的微纳二级绒面硅叠层电池，并获得稳态认证效率达到30.1%和填充因子达到84.5%。钙钛矿/硅叠层太阳能电池的能量转换效率迅速提高，已达到认证的34.6%。然而，为了兼容钙钛矿的溶液法制备，大部分报道的钙钛矿/硅叠层太阳电池主要采用在亚微米绒面上沉积厚钙钛矿吸收层，这会导致绒面结构被填平，从而在顶部空气界面造成显著的反射损失。本文阐述了一种新型光学结构-微纳二级绒面取代传统平板、纳米绒面和微米结构金字塔绒面，同步提升钙钛矿/硅叠层太阳电池光电性能。首先，与传统金字塔绒面不同，微米金字塔表面引入的纳米绒面可以作为钙钛矿晶粒成核和生长的纳米支撑，不仅可以通过降低晶体硅表面能的极性分量来提高钙钛矿前驱液和反溶剂的润湿性，还有利于生长过程中溶剂在表面的留存，通过纳米限域效应诱导钙钛矿自下而上的纵向生长，实现微米金字塔表面高质量钙钛矿薄膜的共形沉积，并同步提升钙钛矿顶电池中的载流子提取和收集。其次，纳米结构一方面可以提供有效的折射率渐变来降低钙钛矿和晶体硅之间界面的反射损失，并同时提高钙钛矿顶电池的光内耦合。另一方面可以降低钙钛矿和空气之间界面的反射损失并增加入射光的光程，从而提升叠层电池中钙钛矿顶电池的光学响应。最终基于该新型结构所得到的钙钛矿/硅叠层太阳电池稳态认证效率达到30.1%，填充因子达到84.5%。作者通过碱性溶液腐蚀在晶体硅表面进行各向异性腐蚀实现随机微米尺度金字塔绒面（～5μm），金字塔的形貌和尺寸可通过原子力显微镜（AFM）获得。随后采用金属催化腐蚀在金字塔绒面上进行各向同性腐蚀实现纳米洞，并通过硝酸去银和氢氧化钠进行表面重构制备而得。图1b可以看出在微米金字塔基底上均匀分布着纳米结构。通过对比不同结构的反射曲线（图1c）体现展现出微纳二级绒面结构具有最佳减反效果，光学图片（图1d）和变角入射的反射曲线（图1e）进一步验证该结果。同时G10（180*180mm2）半片硅片的光学图片也证明该绒面可兼容产业化大规模生产。
图1 a）金字塔AFM图；b）微纳二级绒面AFM图；c）反射曲线；d）光学图片；e）变角反射。微纳二级绒面中的纳米结构在钙钛矿成膜的时候起到至关重要的作用，图2a展示了溶液法钙钛矿在该结构的成膜过程。该过程中，纳米绒面作为钙钛矿成核和生长的支撑，不仅可以通过降低表面能的极性分量来提高前驱液和反溶剂的润湿性，还有利于生长过程中溶剂在表面的留存。从而通过限域效应诱导钙钛矿自下而上的纵向生长，实现微米金字塔表面钙钛矿薄膜的保形沉积，图2b, c和d通过不同倍率和位置的SEM验证该结果。基于该结构所得到的钙钛矿/硅叠层太阳电池效率达到30.7%，填充因子达到85.4%。
图2 a）溶液法钙钛矿在微纳二级绒面结构的成膜过程；b-d）基于微纳二级绒面的溶液法钙钛矿成膜SEM图；e）叠层器件结构图；d）IV曲线；e）EQE曲线。本文首次提出以新型微米金字塔和纳米黑硅的微纳二级结构绒面作为钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池中硅底电池正绒面的设想。研究微纳二级结构绒面的陷光机制及纳米限域效应对溶液法钙钛矿薄膜在二级绒面上晶体成核和共形生长的作用机理；并通过电池结构优化，最终获得光电转换效率>30%高性能的钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池。本研究也将推动各种微纳光学结构在单结和多结钙钛矿叠层太阳电池中的深入研究和广泛应用，并为今后钙钛矿和晶体硅太阳电池等相关领域的研究提供有价值的参考。
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