Lokaliserad 2D/3D-heterojunktion förbättrar fotospänning för perovskit-organiska tandemsolceller

Varför den här solcellsstudien är viktig

Solpaneler blir billigare och vanligare, men dagens enkel-skiktsdesigner närmar sig effektivitetstak. Denna forskning visar ett smart sätt att stapla olika ljusabsorberande material och finjustera den lilla gränsytan mellan dem, för att pressa fram mer spänning och stabilitet i nästa generations "tandem"-solceller. Framsteget kan hjälpa framtida paneler att omvandla mer solljus till elektricitet utan en stor kostnadsökning.

Stapla lager för att fånga mer solljus

Vanliga solceller använder ett aktivt skikt för att fånga ljus, vilket sätter en övre gräns för hur mycket effekt de kan leverera. Tandemsolceller tar en annan väg: de staplar två eller flera skikt, där varje skikt är anpassat för ett annat färgområde av solljuset. I detta arbete använder teamet ett bredbandigt perovskitskikt i fronten för att fånga högenergiljus, och ett smalbandigt organiskt skikt under för att utnyttja rött och nära-infrarött ljus. I princip borde denna design ge högre spänningar och effektivitet. I praktiken brister det övre perovskitskiktet ofta på grund av dolda energiförluster vid dess begravda gränssnitt — den interna kontakten du aldrig ser men som starkt styr hur laddningar lämnar materialet.

Fixa en dold svag punkt

Det begravda gränssnittet mellan den transparenta elektroden och perovskiten är ofta fullt av defekter och dålig energianknytning. Dessa brister fungerar som små fällor där exciterade laddningar rekombinerar innan de gör nytta, vilket begränsar fotospänningen. Författarna angriper denna svaga punkt genom att designa en speciell självmonterande monolagermolekyl (SAM) kallad CbzBT-B. Den bildar ett ultratunt, ordnat lager på den transparenta kontakten och är konstruerad för att ha både rätt energinivå och en svavelhaltig huvudgrupp som starkt kan attrahera positivt laddade ammoniumligander som används vid perovskitprocessning. Denna riktade interaktion lokaliserar dessa ligander precis där de behövs istället för att låta dem driva slumpmässigt in i bulkmaterialet.

Bygga en smart gräns inuti cellen

När perovskitskiktet växer ovanpå detta skräddarsydda SAM hjälper de förankrade liganderna till att bilda en mycket tunn tvådimensionell (2D) perovskitregion precis vid det begravda gränssnittet, medan resten av filmen förblir en högkvalitativ tredimensionell (3D) perovskit. Detta skapar en lokaliserad 2D/3D "heterojunktion" — en smart gräns som styr hur laddningar rör sig. Med en uppsättning avancerade avbildnings- och spektroskopiverktyg visar forskarna att dessa 2D-regioner förblir begränsade nära gränssnittet och längs korngränser, i stället för att sprida sig genom kristallen där de skulle hämma laddningstransport. Den konstruerade gränsen styr också hur perovskitkristallerna nukleerar och växer, vilket ger jämnare filmer med föredragen kristallorientering och färre strukturella håligheter.

Renare laddningsflöde och högre spänning

Eftersom gränsen är bättre organiserad och mindre defekt kan laddningarna nu undkomma lättare istället för att fastna. Tidsupplösta optiska mätningar visar långsammare rekombination och effektivare hålextraktion vid detta gränssnitt. Elektriska profileringstekniker visar att defektdensiteterna vid den begravda sidan sjunker med ungefär en storleksordning, samtidigt som laddningsrörligheten förbättras och energinivåerna lägger sig mer gynnsamt för laddningsöverföring. Som ett resultat når de bredbandiga perovskitcellerna fotospänningar på 1,30, 1,38 och 1,42 volt för bandgap på 1,68, 1,79 respektive 1,85 elektronvolt — var och en överstiger 90 procent av det teoretiska maximumet för det materialet, en viktig referenspunkt i solcellsforskning.

Göra bättre celler till bättre tandems

Utrustade med denna förbättrade bredbandiga perovskitsubcell staplar teamet den sedan med en noggrant avstämd organisk bakre cell för att skapa en monolitisk perovskit-organisk tandem. Tack vare frontcellens höga spänning och låga förluster samt ett väl utformat förbindningslager mellan de två når tandemcellen en verkningsgrad för effektomvandling på 27,11 procent, med ett oberoende certifierat värde på 26,3 procent — bland de högsta som rapporterats för denna enhetsklass. Cellerna håller sig också under kontinuerlig drift och termisk cykling och behåller större delen av sin ursprungliga prestanda över hundratals timmar, vilket tyder på bättre hållbarhet än många tidigare perovskitdesigner.

Vad detta betyder för framtida solpaneler

Enkelt uttryckt visar studien att noggrant fokus på en osynlig intern gräns kan låsa upp både högre spänning och längre livslängd i avancerade solceller. Genom att använda ett ändamålsbyggt molekylärt lager för att fixera en tunn 2D-perovskit på precis rätt plats, förvandlar forskarna ett problematiskt gränssnitt till ett hjälpsamt sådant som rensar bort defekter och snabbar upp laddningsutdrivningen. Om denna metod kan skalas upp och integreras i tillverkning kan den hjälpa till att driva tandemsolpaneler närmare sin fulla potential och leverera mer ren elektricitet från samma solskenyta.

Citering: Chen, M., Jiang, W., Wang, D. et al. Localized 2D/3D heterojunction enhances photovoltage for perovskite-organic tandem solar cells. Nat Commun 17, 2093 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68904-4

Nyckelord: perovskitsolceller, tandemfotovoltaik, gränssnittsingenjörskonst, 2D 3D-heterojunktioner, förbättrad fotospänning