近年來， 鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其高效、 低成本、 易制備等特點， 成為下一代光伏技術。 為了推動鈣鈦礦太陽能電池的進一步發(fā)展， 來自中國香港的科研團隊持續(xù)發(fā)力， 在國際頂尖期刊 Joule 上接連發(fā)表兩篇重要研究成果。 這兩篇研究展現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池技術的未來潛力， 并為解決目前面臨的挑戰(zhàn)提供了新的思路。
【香港城市大學和南昌大學聯(lián)合團隊： 突破性研究 打造高效率、 穩(wěn)定、 全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池】
第一項研究成果發(fā)表在 2024 年 7 月的 Joule 期刊上， 由香港理工大學 Alex K.-Y. Jen 教授和南昌大學姚凱 教授共同領導。 他們提出了一種全新的應力控制策略， 在全紋理硅芯片上構建了垂直異質結構 (SHS) 的鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池， 該器件在工業(yè)規(guī)模的全紋理晶硅片上展現(xiàn)出令人矚目的效率。
Alex K.-Y. Jen 教授， 是香港城市大學材料科學學院教授， 他是化學與材料領域的科學家之一。 他的團隊長期致力于新型有機電子材料的設計合成以及功能器件研究， 發(fā)表過大量的論文。同時，也是光焱科技的長期合作伙伴， 積極利用光焱科技先進的量測設備， 推動科研工作。
他們的研究表明:
l 在全紋理硅芯片上制備高質量的鈣鈦礦薄膜， 一直以來是科研人員面臨的重大挑戰(zhàn)之一。
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池在研究和應用中可能會遇到以下主要瓶頸:
1. 材料穩(wěn)定性
鈣鈦礦材料的長期穩(wěn)定性仍然是一個重大挑戰(zhàn)。鈣鈦礦材料對環(huán)境條件（如濕度、氧氣和光照）非常敏感，容易發(fā)生降解。這會導致電池效率的快速下降，影響其實際應用。
2. 界面工程
在疊層結構中，鈣鈦礦和晶硅之間的界面非常關鍵。界面處的缺陷、界面應力以及能級匹配等問題都會影響載流子的傳輸效率。解決這些問題需要精細的界面工程，但這也是一個復雜且具有挑戰(zhàn)性的研究領域。
3. 制備工藝
疊層太陽能電池的制備工藝相對復雜，需要多層材料的精確控制和疊加。確保每一層材料的質量和均勻性，避免在制造過程中產生缺陷，這是實現(xiàn)高效疊層電池的關鍵。
4. 規(guī)模化生產
實驗室環(huán)境下可以實現(xiàn)高效的全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池，但如何將這種高效能轉化為大規(guī)模生產仍然面臨許多技術和經濟上的挑戰(zhàn)。需要開發(fā)穩(wěn)定、高效、低成本的制造工藝。
5. 環(huán)境兼容性
鈣鈦礦材料中通常含有鉛，這對環(huán)境和健康具有潛在危害。如何開發(fā)無鉛或低鉛的鈣鈦礦材料，同時保證電池的高效性，是當前研究的重要方向。
6. 壽命和可靠性
雖然鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池在實驗室條件下可以表現(xiàn)出高效率，但其長期使用壽命和可靠性尚未得到充分驗證。在實際應用中，電池需要在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能，這對其壽命和可靠性提出了更高的要求。
7. 成本控制
盡管鈣鈦礦材料的成本相對較低，但疊層結構的復雜性和制造工藝的精細控制增加了整體生產成本。如何在保證高效能的前提下降低生產成本，是推動其商業(yè)化應用的關鍵。
l 由于結構復雜， 傳統(tǒng)的工藝難以在全紋理硅芯片上形成均勻的鈣鈦礦薄膜， 并且可能造成嚴重的應力問題， 影響電池性能。
l 團隊提出的應力控制策略， 利用真空蒸鍍方法在埋入界面構建垂直 3D/3D 應力異質結 (SHS)。
通過調控埋入緩沖層鈣鈦礦材料的成分， 可以有效控制鈣鈦礦薄膜的應力， 并促進晶體的生長。
l 此外， 應力控制還能有效降低界面復合損失， 并提高內置電勢。
這項突破性的成果， 使得全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池的認證效率達到 31.5%， 并成功地將電池的穩(wěn)定性提升到了 800 小時的持續(xù)運行。
【香港科技大學、 香港城市大學和北卡羅來納州立大學聯(lián)合團隊：聚合物受體分子設計策略 提高全聚合物太陽能電池效率】
第二項研究成果同樣發(fā)表在 2024 年 7 月的 Joule 期刊上， 由香港科技大學顏河 教授、 香港城市大學朱宗龍 教授以及北卡羅來納州立大學Harald Ade 教授共同領導。 他們針對當前有機太陽能電池的瓶頸問題 - 效率偏低以及穩(wěn)定性不足 - 提出了一種全新的聚合物受體分子設計策略:
顏河 教授是香港科技大學化學系教授， 長期致力于有機電子材料和器件研究， 在國際頂尖期刊發(fā)表大量學術成果， 是該領域的著名學者之一。
朱宗龍 教授是香港城市大學化學系教授， 他的研究團隊一直致力于開發(fā)新型有機光伏材料， 并探索更高效的太陽能電池制備技術。
Harald Ade 教授是北卡羅來納州立大學材料科學與工程系的教授。 他帶領的團隊是全球納米尺度材料表征研究領域之一， 專注于新型先進材料的設計和開發(fā)。
他們的研究表明:
l 傳統(tǒng)聚合物受體分子通常使用 "端-端" 連接模式進行聚合。 這種設計方式會導致分子之間的空間位阻， 降低了分子的堆積和有序度， 進而影響了材料的載流子傳輸效率和器件性能。
使得效率提升的研究上面臨以下主要瓶頸：
1. 材料性能
光吸收效率： 聚合物材料的光吸收范圍和能力相對有限，導致光電轉換效率較低。開發(fā)具有更寬光譜吸收范圍和更高吸光系數(shù)的聚合物材料是提高效率的關鍵。
電荷載流子遷移率： 聚合物材料的電荷載流子遷移率普遍較低，影響了光生載流子的有效分離和傳輸，導致電池的內部量子效率降低。
2. 能級匹配
供體和受體材料的能級匹配： 聚合物太陽能電池的效率高度依賴于供體和受體材料之間的能級匹配。能級匹配不當會導致電荷分離效率低下和復合損失增加。找到理想的供體和受體組合，優(yōu)化能級匹配，是提升效率的重要途徑。
3. 界面工程
相分離和形貌控制： 在全聚合物太陽能電池中，供體和受體材料的相分離和形貌對電池性能有重要影響。需要在納米尺度上控制相分離和形貌，以優(yōu)化電荷分離和傳輸路徑，這一過程非常復雜且難以精確控制。
界面改性： 聚合物和電極之間的界面需要進行改性，以降低界面電阻和抑制電荷復合。合適的界面層材料和界面改性方法的開發(fā)是提高電池效率的關鍵。
4. 制備工藝
溶液加工方法： 全聚合物太陽能電池通常采用溶液加工方法，但這一方法容易引入缺陷和不均勻性，影響電池性能。如何在溶液加工過程中保持材料的均勻性和結構的穩(wěn)定性是一個重要挑戰(zhàn)。
薄膜質量： 制備高質量的薄膜是提高電池效率的前提。薄膜中的缺陷、粗糙度和結晶度都會影響電荷的傳輸和復合。
5. 環(huán)境穩(wěn)定性
聚合物材料的穩(wěn)定性相對較差，容易受到環(huán)境因素（如氧氣、濕度、光照等）的影響而降解。材料的降解不僅會降低電池效率，還會影響其使用壽命。提高聚合物材料的環(huán)境穩(wěn)定性，是實現(xiàn)高效且持久的全聚合物太陽能電池的必要條件。
6. 電子和空穴傳輸層
優(yōu)化傳輸層材料： 電子和空穴傳輸層在全聚合物太陽能電池中起著至關重要的作用。傳輸層材料的選擇和優(yōu)化對電池的開路電壓、短路電流和填充因子都有顯著影響。
7. 成本與可制造性
盡管聚合物太陽能電池的材料成本較低，但制備高性能電池所需的精細控制和優(yōu)化過程增加了制造成本。開發(fā)低成本、易于大規(guī)模生產的制備工藝，是推動其商業(yè)化應用的關鍵。
l 該團隊通過引入一種全新的 "核-核" 連接模式， 將 Y 系列單體分子連接成一個特殊的 "雙層樓" 結構， 使不同單體單元在同一聚合物中形成分子內堆積， 有效提升了分子排列的緊密度， 并促進了電荷的離域化和傳輸。
該團隊利用這種新穎的策略成功合成了一種新的聚合物受體材料， 并將該材料應用于三元全聚合物太陽能電池， 最終實現(xiàn)了 18.7% 的高效率， 展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池與全聚合物太陽能電池的對比分析：
i. 應用領域:
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池:
2 大規(guī)模發(fā)電： 由于其高效能和良好的穩(wěn)定性，這種太陽能電池常用于大規(guī)模太陽能發(fā)電廠。
2 建筑集成光伏（BIPV）： 因為可以在現(xiàn)有建筑物表面集成，所以適用于高層建筑、屋頂?shù)葓鼍啊?/span>
2 智能電網： 配合儲能系統(tǒng)使用，為智能電網提供穩(wěn)定的電力輸出。
全聚合物太陽能電池:
2 柔性電子產品： 由于其輕便、柔性好，常用于可穿戴設備和便攜式電子產品。
2 建筑涂層： 可以作為建筑涂層材料應用，利用陽光進行能量轉換。
2 環(huán)境傳感器： 由于其制造成本低，可用于大規(guī)模分布式傳感網絡中，為環(huán)境監(jiān)測提供電源。
ii. 差異性
n 材料組成:
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池: 采用鈣鈦礦材料和晶硅材料的結合，利用兩種材料的不同帶隙，實現(xiàn)更高的光電轉換效率。
全聚合物太陽能電池: 由有機聚合物材料制成，通常具有較低的光電轉換效率。
n 制造工藝:
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池: 制造工藝相對復雜，需要精密的材料處理和層疊技術。
全聚合物太陽能電池: 制造工藝相對簡單，通常可以通過溶液加工方法進行大規(guī)模生產。
n 效率和穩(wěn)定性:
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池: 具有較高的光電轉換效率和穩(wěn)定性。
全聚合物太陽能電池: 效率較低，穩(wěn)定性也相對較差，但在某些應用場景中，其靈活性和低成本具有優(yōu)勢。
iii. 共通性:
n 環(huán)保性: 兩者都屬于綠色能源技術，能夠減少對化石燃料的依賴，減少碳排放。
n 應用廣泛: 都可以用于多種應用場景，雖然重點應用領域不同， 但在某些特定條件下可以互為補充。
n 技術發(fā)展: 都是當前太陽能電池技術發(fā)展的重要方向， 具有廣闊的研究和應用前景。
重要技術參數(shù)：
第一篇論文:
全紋理鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池效率: > 31.5%
第二篇論文:
三元全聚合物太陽能電池效率: > 18.7%
參考文獻
Strained heterojunction enables high-performance, fully textured perovskite/silicon tandem solar cells _Joule.15th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015
A polymer acceptor with double-decker configuration enhances molecular packing for high-performance all-polymer solar cells
Joule.9th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.010
【本研究參數(shù)圖】
以上為Strained heterojunction enables high-performance, fully textured perovskite/silicon tandem solar cells相關參數(shù)圖
Fig 2. 紫外可見吸收光譜/熒光發(fā)射光譜、電化學能級以及分子模擬結果
Fig3. 結晶性與相分離表征結果（GIWAXS and RSoXS）以及分子動力學模擬堆積結果
以上為A polymer acceptor with double-decker configuration enhances molecular packing for high-performance all-polymer solar cells相關參數(shù)圖
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文獻參考自Joule.15th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015 & Joule.9th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.010
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