混合鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，尤其是鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池 (PSTs)，展現(xiàn)出巨大的潛力，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性，尤其是寬帶隙 (WBG) 鈣鈦礦吸收體的穩(wěn)定性，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。WBG 吸收體薄膜的晶體質(zhì)量差和多晶取向?qū)е码x子遷移和相分離，從而降低器件壽命。
來(lái)自北京理工大學(xué)的陳棋團(tuán)隊(duì)于Science 2024年8月1日第6708期中發(fā)表研究中，著重于成核工程，通過(guò)促進(jìn) 3C 相成核并控制前體組成，以獲得具有優(yōu)異晶體質(zhì)量和紋理的 WBG 吸收體。這種方法有效減少了非輻射復(fù)合，增強(qiáng)了對(duì)熱降解、離子遷移和相分離的穩(wěn)定性。基于此，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了在 1 cm2 和 25 cm2 活性區(qū)域中分別為 32.5% 和 29.4% 的高效率 鈣鈦礦/晶硅疊層電池，并在長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面取得了顯著突破。

導(dǎo)讀目錄

1.          晶體成核工程技術(shù)改善了各種老化應(yīng)力的影響力  

2.          研究結(jié)果表征

3.          成果：結(jié)晶核工程有效提升高效疊層太陽(yáng)能電池效率與長(zhǎng)期穩(wěn)定性  

晶體成核工程技術(shù)改善了各種老化應(yīng)力的影響力

陳棋研究團(tuán)隊(duì)主要針對(duì)寬帶隙WBG的特性進(jìn)行優(yōu)化的程序，通過(guò)在任何溴化物富集聚集和2H相形成之前，優(yōu)先核化3C相，實(shí)現(xiàn)了寬帶隙（WBG）吸收層的改善結(jié)晶性和強(qiáng)紋理，從而抑制了非輻射復(fù)合，增強(qiáng)了對(duì)各種老化應(yīng)力的抵抗力。

1.          結(jié)晶質(zhì)量和紋理特性：
改善寬帶隙（WBG）吸收體的結(jié)晶性和紋理，解決因結(jié)晶質(zhì)量差導(dǎo)致的問(wèn)題，如多晶粒取向和晶面暴露。

2.          非輻射復(fù)合和能量損失：
減少非輻射復(fù)合，提高能量轉(zhuǎn)換效率，通過(guò)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）和時(shí)間分辨光致發(fā)射（TRPL）來(lái)評(píng)估和改善載流子行為。

3.          溴化物分布和相分離：

解決因溴化物不均勻分布和相分離導(dǎo)致的問(wèn)題，通過(guò)核工程促進(jìn)3C相的成核，避免溴化物的遷移和相轉(zhuǎn)變。

4.          晶體生長(zhǎng)過(guò)程控制：
通過(guò)核工程和薄膜沉積技術(shù)，控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)高度定向的晶體生長(zhǎng)和改善的結(jié)晶質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)步驟

1.          前驅(qū)體制備：

使用特定的化學(xué)試劑和溶劑制備鈣鈦礦前驅(qū)體，包括PbI2、PbBr2、CsI、MAI、FAI等。

將這些化學(xué)物質(zhì)溶解在混合溶劑中，如DMF和DMSO的混合物，并在50°C下攪拌3小時(shí)直至溶解，然后過(guò)濾。

2.          添加成核劑：

在前驅(qū)體中添加不同濃度的長(zhǎng)鏈烷基胺鹽，如OAmI（烯丙基銨碘），以控制成核過(guò)程。

3.          旋轉(zhuǎn)涂布：

將過(guò)濾后的前驅(qū)體溶液旋轉(zhuǎn)涂布在合適的基板上，如石英、ITO或硅太陽(yáng)能電池。采用特定的旋轉(zhuǎn)涂布參數(shù)，如旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)間，以控制薄膜的厚度和均勻性。

4.          抗溶劑處理：

在旋轉(zhuǎn)涂布過(guò)程中，使用抗溶劑（如氯苯）來(lái)促進(jìn)薄膜的結(jié)晶和均勻性。

5.          真空淬火：

將涂布好的薄膜立即轉(zhuǎn)移到自制的真空閃爐中，進(jìn)行真空淬火處理，以進(jìn)一步改進(jìn)晶體的質(zhì)量和均勻性。

6.          氣體淬火：

在旋轉(zhuǎn)涂布過(guò)程中，使用氮?dú)饬鱽?lái)淬火，促進(jìn)薄膜的結(jié)晶。

7.          Slot-die涂布和真空淬火：

8.          使用Slot-die涂布技術(shù)，結(jié)合真空淬火，來(lái)沉積大面積的鈣鈦礦薄膜。

研究結(jié)果表征

研究團(tuán)隊(duì)采用綜合性量測(cè)手法的應(yīng)用一一進(jìn)行驗(yàn)證，不僅幫助研究團(tuán)隊(duì)深入理解和改進(jìn)WBG吸收體的結(jié)晶質(zhì)量、穩(wěn)定性和太陽(yáng)能電池的整體性能，透過(guò)補(bǔ)充數(shù)據(jù)的記載中，了解到研究團(tuán)隊(duì)采用XRD和GIWAX用于評(píng)估多晶吸收體的結(jié)晶質(zhì)量和紋理特性，從而理解晶體的生長(zhǎng)和相轉(zhuǎn)變過(guò)程;能量損失和載流子行為采用PL和QFL，量化能量損失，從而了解非輻射復(fù)合中心的數(shù)量; TRPL的量測(cè)用于研究WBG吸收體的載流子壽命，進(jìn)一步評(píng)估非輻射復(fù)合中心的數(shù)量和影響。原位和離體PL測(cè)量，研究溴化物在退火過(guò)程中的分布和光穩(wěn)定性，從而解決因溴化物遷移和相分離導(dǎo)致的問(wèn)題; 原位GIWAXS測(cè)量，在程序化的退火過(guò)程中追蹤晶體生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)變化，從而理解核工程對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。

1. X射線衍射（XRD）：

2. 二維同步輻射掠入射寬角X射線散射（GIWAXS）：

3. 掃描電子顯微鏡（SEM）：

4. 紫外-可見(jiàn)-近紅外（UV-VIS-NIR）分光亮度計(jì)：

5. 光致發(fā)光（PL）光譜：

• 使用PL光譜儀來(lái)測(cè)量鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光特性。PL光譜可以提供關(guān)于薄膜的能帶結(jié)構(gòu)、激子復(fù)合和缺陷的信息。

6. 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）計(jì)算：

• 通過(guò)PL強(qiáng)度的對(duì)比，計(jì)算準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂的增強(qiáng)，從而評(píng)估電子-空穴復(fù)合情況和薄膜的電學(xué)性能。

7. 太陽(yáng)能電池性能測(cè)試：

• 研究團(tuán)隊(duì)采用了光焱科技QE-R 量子效率量測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量單結(jié)和串聯(lián)太陽(yáng)能電池的電流-電壓（J-V）特性，以及外量子效率（EQE）譜。這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)評(píng)估太陽(yáng)能電池的性能，如開(kāi)路電壓（Voc）、短路電流（Jsc）、填充因子（FF）和轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

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快速取得疊層太陽(yáng)能電池量測(cè)步驟示意圖

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圖 S25. 單結(jié) WBG 太陽(yáng)能電池的光伏參數(shù)，包括 (A) 開(kāi)路電壓 (VOC)、(B) 短路電流密度 (JSC)、(C) 填充因子 (FF) 和 (D) 光電轉(zhuǎn)換效率 (PCE)。這些電池的吸收層由不同濃度辛胺碘化物 (OAmI) 和真空淬火制備的前驅(qū)體制成。器件結(jié)構(gòu)為 ITO/polyTPD/PFNBr/WBG 吸收層/C60/BCP/Cu。當(dāng) OAmI 濃度超過(guò) 1 mg/mL 時(shí)，很可能在晶界處存在一些非晶絕緣層，這會(huì)影響載流子提取，從而降低最終器件的填充因子。

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        圖 S26. 疊層器件在 1.69 V 電壓下的穩(wěn)定功率輸出       (SPO)
       
       

7. 穩(wěn)定性測(cè)試：

• 對(duì)鈣鈦礦吸收層和太陽(yáng)能電池進(jìn)行熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的老化測(cè)試，評(píng)估材料和器件的穩(wěn)定性。

o    針對(duì)本研究發(fā)表中另一項(xiàng)關(guān)注的核心” 穩(wěn)定性和耐久性”，團(tuán)隊(duì)使用了光焱科技的SS-X系列太陽(yáng)光模擬器進(jìn)行環(huán)境壓力與溫度測(cè)試，在仿真環(huán)境中，通過(guò)全譜照明、操作溫度等來(lái)評(píng)估設(shè)備的性能穩(wěn)定性。另外，也進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間操作穩(wěn)定性測(cè)試：通過(guò)在最大功率點(diǎn)（MPP）條件下進(jìn)行連續(xù)1-sun照明，來(lái)評(píng)估封裝設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，解決因熱、光或電壓引起的降解問(wèn)題。

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快速取得疊層太陽(yáng)能電池量測(cè)步驟示意圖

成果：結(jié)晶核工程有效提升高效疊層太陽(yáng)能電池效率與長(zhǎng)期穩(wěn)定性

研究團(tuán)隊(duì)透過(guò)各項(xiàng)痛點(diǎn)的突破及表征技術(shù)的應(yīng)用驗(yàn)證上，成功地達(dá)成幾項(xiàng)驚人的成果并獲得Science的認(rèn)證。

1.             核工程策略：通過(guò)在鈣鈦礦前驅(qū)體中添加長(zhǎng)鏈烷基胺配體，促進(jìn)了3C相的成核，避免了溴化物的不均勻分布和隨后的相轉(zhuǎn)變。

2.           結(jié)晶質(zhì)量和紋理改善：實(shí)現(xiàn)了WBG吸收體的改善結(jié)晶質(zhì)量和強(qiáng)紋理，從而減少非輻射復(fù)合，提高了能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

3.           高效率太陽(yáng)能電池：

• 在1cm2和25cm2活性區(qū)域下分別實(shí)現(xiàn)了32.5%和29.4%的高PCE。

• 優(yōu)化的封裝PST在25°C和50°C下分別保持了98.3%和90%的初始PCE，顯示出良好的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.          長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性：

o     通過(guò)核工程和薄膜沉積技術(shù)，提高了太陽(yáng)能電池在長(zhǎng)期運(yùn)行中的穩(wěn)定性，特別是在不同溫度條件下。

o     長(zhǎng)時(shí)間操作穩(wěn)定性測(cè)試顯示，封裝設(shè)備在1301和800小時(shí)后分別保持了初始PCE的98.3%和90%。

5.          大面積制造均勻性：

o     解決了大面積制造中的均勻性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了大面積WBG吸收體的均勻結(jié)晶質(zhì)量和紋理，從而實(shí)現(xiàn)高效的大面積太陽(yáng)能電池。

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文獻(xiàn)參考自Science 1st Aug.2024_ DOI: 10.1126/science.ado9104

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