近日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Nature》在線發(fā)表了一項關(guān)于鈣鈦礦太陽電池的重要研究成果。美國西北大學(xué)博士后研究員劉成、楊熠、陳昊、Ioannis Spanopoulos、Abdulaziz S. R. Bati為共同第一作者。美國西北大學(xué)鄭丁、Tobin J. Marks、Antonio Facchetti、Edward H. Sargent、Mercouri G.Kanatzidis為共同通訊作者等教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，在提高鈣鈦礦太陽電池穩(wěn)定性和效率方面取得了顯著進(jìn)展。該研究題為"Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells"，由博士后研究員劉成、楊熠、陳昊、IoannisSpanopoulos和Abdulaziz S. R. Bati等人共同完成。

研究背景

近年來，鈣鈦礦太陽電池因其高效率和低成本的特點，在光伏領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。單結(jié)小面積（<1 cm2）器件的光電轉(zhuǎn)換效率已突破26%，這主要歸功于界面鈍化技術(shù)的改進(jìn)，特別是使用有機(jī)銨鹽或二維（2D）鈣鈦礦作為表面鈍化層。然而，這些鈍化層中的活性陽離子在熱驅(qū)動下容易破壞鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中脆弱的角共享八面體連接，并在2D和三維（3D）鈣鈦礦層之間遷移，嚴(yán)重制約了器件效率和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升。

創(chuàng)新方法

針對鈣鈦礦器件中界面離子遷移的問題，研究團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新的解決方案：利用2D"類鈣鈦礦"進(jìn)行界面鈍化。這種類鈣鈦礦材料同時具有角、邊、面共享的特殊結(jié)構(gòu)，能有效阻止界面離子遷移。研究人員通過合成一系列類鈣鈦礦材料，并調(diào)節(jié)它們在鈣鈦礦薄膜表面的維度和取向，實現(xiàn)了載流子在異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的高效傳輸。

主要發(fā)現(xiàn)

• 材料設(shè)計與合成：研究團(tuán)隊設(shè)計并合成了多種類鈣鈦礦材料，包括：

1. N-氨基己基-鄰苯二甲酰亞胺鹽酸鹽 (A6PI)

2. N-氨基己基-苯[f]-鄰苯二甲酰亞胺鹽酸鹽 (A6BfPI)

3. N-氨基己基-苯[e]-鄰苯二甲酰亞胺鹽酸鹽 (A6BePI)

4. N-氨基己基-萘二甲酰亞胺鹽酸鹽 (A6NI)

這些材料分別形成了(A6P)PbI3、(A6BfP)PbI3、(A6BeP)PbI3和(A6N)PbI3等結(jié)構(gòu)。特別值得注意的是，(A6BfP)8Sn7I22形成了一種2D結(jié)構(gòu)，具有混合的角、邊、面共享連接，這種結(jié)構(gòu)對于提高器件穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。

• 異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建：通過X射線衍射（XRD）和掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等技術(shù)，研究人員成功構(gòu)建并表征了類鈣鈦礦材料/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)。XRD分析顯示，2D (A6BfP)8Pb7I22能夠在3D鈣鈦礦表面形成高度取向的薄膜，這對于實現(xiàn)高效的載流子傳輸至關(guān)重要。GIWAXS結(jié)果進(jìn)一步證實了這種取向性，為理解界面結(jié)構(gòu)提供了重要信息。

• 光電特性：研究發(fā)現(xiàn)，2D類鈣鈦礦/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出優(yōu)異的光電特性。通過X射線光電子能譜（XPS）分析，發(fā)現(xiàn)2D (A6BfP)8Pb7I22能有效鈍化3D鈣鈦礦表面的缺陷，減少了非輻射復(fù)合。光致發(fā)光（PL）測試進(jìn)一步證實了這一點，(A6BfP)8Pb7I22鈍化的樣品顯示出更強的PL強度和更長的載流子壽命，這直接反映了界面鈍化的有效性。

• 器件性能：基于"類鈣鈦礦/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)"的太陽電池（>1 cm2）展現(xiàn)出的性能，實現(xiàn)了24.6%的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率。這一成果代表了大面積鈣鈦礦太陽電池效率的重要進(jìn)展。具體性能參數(shù)如下：

• 開路電壓（Voc）：1.135 V

• 短路電流密度（Jsc）：26.70 mA/cm2

• 填充因子（FF）：0.812

這些性能指標(biāo)顯示了該研究團(tuán)隊在提高鈣鈦礦太陽電池效率方面取得的進(jìn)展，特別是在大面積器件上實現(xiàn)如此高的效率，對于推動鈣鈦礦太陽能電池的實際應(yīng)用具有重要意義。

• 穩(wěn)定性：在85℃、空氣環(huán)境下，該器件展現(xiàn)出長達(dá)1250小時的穩(wěn)定運行能力，這是鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的一個重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊通過時間依賴的XRD和飛行時間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）分析，證實了2D (A6BfP)8Pb7I22在高溫高濕條件下的優(yōu)異穩(wěn)定性，以及其抑制離子遷移的能力。這種長期穩(wěn)定性的提升對于鈣鈦礦太陽能電池的潛在商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

Supplementary Fig. 1 | (A6P)PbI₃ single crystal. a. Crystal structure of (A6P)PbI₃ with the CCDC number of 2362695. b. Powder XRD of (A6P)PbI₃.

Supplementary Fig. 8 | The crystal structure of (A6BfP)₈Sn₇I₂₂ and (A6BfP)₈Pb₇I₂₂ films. XRD of (A6BfP)₈Sn₇I₂₂ single crystal and (A6BfP)₈Sn₇I₂₂ and (A6BfP)₈Pb₇I₂₂ perovskite films.

Supplementary Fig. 10 | Perovskitoid/perovskite heterostructure. Cross-sectional HRTEM, corresponding FFT and filtered HRTEM image of the (A6BfP)₈Pb₇I₂₂/perovskite film.

Supplementary Fig. 12 | Carrier lifetime. TRPL of 3D perovskite films passivated by non-2D ligand o-PDEAI₂, 2D (PEA)₂PbI₄, and 2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂ perovskite films, the carrier lifetimes are summarized in Supplementary Table 9.

研究意義

這項研究不僅在理論上闡明了類鈣鈦礦材料穩(wěn)定鈣鈦礦太陽電池的機(jī)理，還在實踐中證明了其在提高器件效率和穩(wěn)定性方面的潛力。特別是，2D (A6BfP)8Pb7I22的結(jié)構(gòu)為設(shè)計高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽電池提供了新的思路。這一成果為鈣鈦礦光電器件的進(jìn)一步研究和潛在的大規(guī)模應(yīng)用提供了有價值的參考。  

研究團(tuán)隊與設(shè)備

值得一提的是，Edward H. Sargent研究團(tuán)隊是信賴光焱科技Enlitech的長期合作客戶，並且團(tuán)隊中採購了光焱科技Enlitech 的QE-R光伏/太陽能電池量子效率測量解決方案和SS-X100 A+級光譜AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器等專業(yè)檢測設(shè)備。該團(tuán)隊在進(jìn)行許多高精度測量和測試時，經(jīng)常采用了這些專業(yè)的研究設(shè)備為研究結(jié)果的精確性和可靠性提供了強有力的支持。這些先進(jìn)設(shè)備的使用，為研究團(tuán)隊獲得高質(zhì)量的實驗數(shù)據(jù)提供了重要保障，從而為研究成果的可靠性奠定了堅實基礎(chǔ)。

Supplementary Fig. 14 | Influence of isopropanol on film morphology and device performance. a. SEM images of the 3D perovskite film with and without isopropanol washing with scale bar of 1 μm, and b. their corresponding J-V curves.

Supplementary Fig. 18 | Stabilized efficiency. The steady-state output of the best-performance 2D perovskitoid-passivated PSC. The maximum power point of the device was tracked for 300 s under simulated one sun AM 1.5 G irradiation (100 mW cm^-2) at room temperature within a nitrogen glovebox.

結(jié)論

美國西北大學(xué)研究團(tuán)隊在鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，特別是在提高大面積器件的效率和穩(wěn)定性方面。通過開發(fā)新型2D類鈣鈦礦材料(A6BfP)8Pb7I22，研究人員成功地改善了器件的界面特性，有效抑制了離子遷移問題。

這項研究的主要貢獻(xiàn)包括：

1. 在大面積（>1 cm2）鈣鈦礦太陽電池上實現(xiàn)了24.6%的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率，這是該領(lǐng)域的一個重要突破。

2. 在85℃、空氣環(huán)境下，器件展現(xiàn)出1250小時的穩(wěn)定運行能力，顯著提高了鈣鈦礦太陽電池的耐久性。

為解決鈣鈦礦太陽電池長期存在的穩(wěn)定性問題提供了新的思路和方法。

這些成果為鈣鈦礦太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展和潛在的商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而，要將實驗室成果轉(zhuǎn)化為大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，仍然需要解決許多挑戰(zhàn)，包括進(jìn)一步提高效率、延長使用壽命、降低生產(chǎn)成本等。

隨著這類研究的不斷深入，鈣鈦礦太陽電池技術(shù)有望在未來的可再生能源領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。這項研究為提高鈣鈦礦太陽能電池的性能提供了新的方向，為推動太陽能技術(shù)的進(jìn)步做出了有意義的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn) Efficient perovskite solar modules with an ultra-long processing window enabled by cooling stabilized intermediate phases _Nature, 2024,_DOI:10.1039/D4EE01147C

解決方案推薦

PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)_QE-R

文獻(xiàn)參考自 Nature, 2024,_DOI:10.1039/D4EE01147C

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