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光伏技術(shù)的新發(fā)表：無(wú)定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能

1.  研究方法與表征設(shè)備分析

2. 非晶態(tài)(lysine)2Pbl2層展現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率成果

光伏技術(shù)的新發(fā)表 ：無(wú)定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能

近日，由中科院院士楊德仁團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)王勇 及蘇州大學(xué)寧為華 共同發(fā)表于Nature Communications  2024年第15期一突破性研究為高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展開辟了新路徑。研究人員成功開發(fā)出一種新型無(wú)定形(賴氨酸)2PbI2鈍化層，通過固相反應(yīng)在鈣鈦礦薄膜表面和晶界處形成。這種無(wú)定形結(jié)構(gòu)具有更少的懸掛鍵，能有效中和表面/界面缺陷，顯著提高了電池效率。

與傳統(tǒng)的晶態(tài)鈍化材料相比，這種新型無(wú)定形層不僅降低了晶格應(yīng)力，還作為屏障阻止有機(jī)成分的分解，抑制了鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)破壞，大幅提升了太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，采用這種技術(shù)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率高達(dá)26.27%（經(jīng)認(rèn)證為25.94%）。

圖 3 .光伏和器件特性

(a) PbI?-FACsMA和amo-FACsMA器件的J-V曲線，電池有效面積為0.09 cm2。

• JscJsc：25.83（PbI?-FACsMA），25.84（amo-FACsMA）

• VocVoc：1.104（PbI?-FACsMA），1.184（amo-FACsMA）

• FF：0.831（PbI?-FACsMA），0.858（amo-FACsMA）

• PCE：23.72%（PbI?-FACsMA），26.27%（amo-FACsMA）

• FF：0.739（FACsMA），0.806（amo-FACsMA）

• PCE：21.38%（FACsMA），24.93%（amo-FACsMA）

研究方法與表征設(shè)備分析

研究團(tuán)隊(duì)在研究過程中，透過階段式的研究手法逐一量測(cè)并驗(yàn)證該研究理論的可行性

1.    材料合成與制備：研究團(tuán)隊(duì)合成了含賴氨酸的鈣鈦礦薄膜，通過固態(tài)擴(kuò)散和反應(yīng)過程，制備了不同賴氨酸擴(kuò)散時(shí)間的薄膜樣品。

2.    薄膜沉積：使用旋涂或蒸鍍等方法將制備的鈣鈦礦材料沉積到基底上，形成薄膜。

3.    太陽(yáng)能電池裝置制作：將制備的鈣鈦礦薄膜整合到太陽(yáng)能電池裝置中，包括添加其他必要的層，如電極、傳輸層等。

4.    穩(wěn)定性測(cè)試：對(duì)制備的太陽(yáng)能電池裝置進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，評(píng)估其在不同條件下的性能變化。

5.    效能測(cè)量：使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件（如AM1.5G光譜、25°C）來(lái)測(cè)量太陽(yáng)能電池的效能參數(shù)，如轉(zhuǎn)換效率、短路電流、開路電壓等。

6.    操作條件下的性能評(píng)估：可能進(jìn)行了最大功率點(diǎn)（MPP）追蹤測(cè)試，以評(píng)估太陽(yáng)能電池在實(shí)際操作條件下的性能。

要得到器件的優(yōu)化進(jìn)程，各項(xiàng)的表征設(shè)備，使得量測(cè)過程中得到更穩(wěn)定的論證外，更幫助研究團(tuán)隊(duì)有效地了解器件提升的狀態(tài)及進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。
常見的表征設(shè)備如: 紫外可見光譜儀（UV-vis）：可用于分析材料的光吸收特性; X射線繞射儀（XRD）分析材料的晶體結(jié)構(gòu)，并確定材料的晶相和晶格參數(shù); 掃描電子顯微鏡（SEM）可觀察材料的表面和截面形態(tài)，提供微觀結(jié)構(gòu)的影像; X射線光電子能譜儀（XPS）可確定元素的化學(xué)結(jié)合環(huán)境。另外，傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）通過紅外吸收光譜來(lái)識(shí)別材料中的化學(xué)組分; X射線吸收光譜儀（XAS），包括X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）和擴(kuò)散X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）; 時(shí)間解析光致發(fā)光系統(tǒng)（TRPL）：可測(cè)量材料的載流子壽命，研究激子動(dòng)態(tài)和材料的缺陷密度; 電容頻率分析儀則應(yīng)用于評(píng)估太陽(yáng)能電池裝置中的陷阱狀態(tài)和載流子動(dòng)態(tài)。

其中，太陽(yáng)光模擬器和電流-電壓（J-V）測(cè)量系統(tǒng)在太陽(yáng)能電池的表征量測(cè)中極其重要原因如下：

1.    性能評(píng)估：J-V測(cè)量是評(píng)估太陽(yáng)能電池性能最直接的方法。通過J-V曲線，可以獲得關(guān)鍵的電池參數(shù)，如開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）和光電轉(zhuǎn)換效率（η），上述參數(shù)綜合反映了太陽(yáng)能電池的整體性能。

2.    標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試：太陽(yáng)能仿真器提供標(biāo)準(zhǔn)化的光照條件（如AM1.5G光譜、1000 W/m2的輻射強(qiáng)度），確保測(cè)量結(jié)果的可比性和重復(fù)性。這對(duì)于比較不同材料、結(jié)構(gòu)或制程的太陽(yáng)能電池性能至關(guān)重要。

3.    缺陷識(shí)別：J-V曲線的特征，如S形曲線、低填充因子或低短路電流，可以指示太陽(yáng)能電池可能存在的缺陷，如電荷復(fù)合、電流泄漏或系列電阻過大。

4.    穩(wěn)定性分析：通過連續(xù)的J-V測(cè)量，可以監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池在不同環(huán)境條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，了解其性能衰退的速率和機(jī)制。

5.    優(yōu)化與改進(jìn)：J-V測(cè)量結(jié)果可用于指導(dǎo)太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，幫助研究人員識(shí)別性能瓶頸并尋找解決方案。

6.    認(rèn)證與商業(yè)化：對(duì)于商業(yè)化產(chǎn)品，J-V測(cè)量是產(chǎn)品認(rèn)證和質(zhì)量控制的重要步驟。通過J-V測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)可用于產(chǎn)品卷標(biāo)和市場(chǎng)推廣

本研究采用光焱科技-SS-X系列 AM1.5G 3A+級(jí)太陽(yáng)光模擬器 搭配IVS-6000的量測(cè)軟件，及QE-R量子效率解決方案，使表征的參數(shù)可透過軟件經(jīng)簡(jiǎn)單導(dǎo)入后，進(jìn)行交叉分析，作為表征過程中輕松且具有效率的量測(cè)模式。

光焱科技作為創(chuàng)新科技，致力于提供精準(zhǔn)表征解決方案，采用先進(jìn)的表征技術(shù)及具有效率的量測(cè)程序，助力研究團(tuán)隊(duì)獲得高質(zhì)量且精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步協(xié)助國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)舞臺(tái)上展現(xiàn)優(yōu)秀成果，提升學(xué)術(shù)影響力。
在快速發(fā)展的光伏領(lǐng)域中，提供關(guān)鍵參數(shù)和優(yōu)化方案，推動(dòng)研究器件性能提升。透過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和支持，促進(jìn)再生能源產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定成長(zhǎng)?，F(xiàn)階段也連接學(xué)術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，推動(dòng)科研成果轉(zhuǎn)化，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)商業(yè)化的進(jìn)步。

非晶態(tài)(lysine)2Pbl2層展現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率成果

研究成員通過多種實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層增強(qiáng)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性：

1.    效率提升：研究人員通過測(cè)量太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓（J-V）特性和量子效率（EQE），證明了無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層導(dǎo)致的光電轉(zhuǎn)換效率提升。與參考設(shè)備相比，采用無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層的設(shè)備展示了更高的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），達(dá)到了26.27%，并且具有更好的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）。

2.    缺陷密度降低：研究人員觀察到無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層降低了非輻射復(fù)合，這與缺陷密度的降低相對(duì)應(yīng)。此外，無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層降低了陷阱能量深度和缺陷密度，這對(duì)提高電池效率至關(guān)重要。

3.    穩(wěn)定性增強(qiáng)：研究人員通過長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存壽命和操作穩(wěn)定性測(cè)試，證明了無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性的正面影響。在連續(xù)照明和/或加熱2000小時(shí)后，無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層抑制了鈣鈦礦的解構(gòu)，而參考設(shè)備則出現(xiàn)了PbI2雜質(zhì)峰，表明其穩(wěn)定性較差。

4.    抑制有機(jī)組分分解：無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層作為屏障，防止了有機(jī)組分的分解，這有助于維持鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的完整性，進(jìn)一步提高了太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。

5.    結(jié)構(gòu)和組成分析：無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層的結(jié)構(gòu)和組成信息，證實(shí)了其作為有效鈍化層的特性。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究證實(shí)了無(wú)定形（賴氨酸）2PbI2層在增強(qiáng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性方面的有效性。

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文獻(xiàn)參考自Nature Communications.2024_ DOI: 10.1038/s41467-024-51551-y

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