Carrier control in Sn–Pb perovskites via 2D cation engineering for all-perovskite tandem solar cells with improved efficiency and stability

钙钛矿(结构) 串联 光伏 能量转换效率 带隙 材料科学 卤化物 光电子学 载流子寿命 纳米技术 化学 光伏系统 无机化学 结晶学 电气工程 复合材料 工程类
作者
Jinhui Tong,Qi Jiang,Andrew J. Ferguson,Axel F. Palmstrom,Xiaoming Wang,Ji Hao,Sean P. Dunfield,Amy E. Louks,Steven P. Harvey,Chongwen Li,Haipeng Lu,Ryan M. France,S. Johnson,Fei Zhang,Mengjin Yang,John F. Geisz,Michael D. McGehee,Matthew C. Beard,Yanfa Yan,Darius Kuciauskas
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:7 (7): 642-651 被引量:211
标识
DOI:10.1038/s41560-022-01046-1
摘要

All-perovskite tandem solar cells are promising for achieving photovoltaics with power conversion efficiencies above the detailed balance limit of single-junction cells, while retaining the low cost, light weight and other advantages associated with metal halide perovskite photovoltaics. However, the efficiency and stability of all-perovskite tandem cells are limited by the Sn–Pb-based narrow-bandgap perovskite cells. Here we show that the formation of quasi-two-dimensional (quasi-2D) structure (PEA)2GAPb2I7 from additives based on mixed bulky organic cations phenethylammonium (PEA+) and guanidinium (GA+) provides critical defect control to substantially improve the structural and optoelectronic properties of the narrow-bandgap (1.25 eV) Sn–Pb perovskite thin films. This 2D additive engineering results in Sn–Pb-based absorbers with low dark carrier density (~1.3 × 1014 cm−3), long bulk carrier lifetime (~9.2 μs) and low surface recombination velocity (~1.4 cm s−1), leading to 22.1%-efficient single-junction Sn–Pb perovskite cells and 25.5%-efficient all-perovskite two-terminal tandems with high photovoltage and long operational stability. Tong et al. form a 2D perovskite layer with two large organic cations to improve the structural and optoelectronic properties of Sn–Pb perovskites, and eventually the performance of single-junction and tandem solar cells.
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