南方科大王湘麟團隊聯(lián)手KAUST突破PSCs 25.1%

發(fā)表時間：2024/6/5 11:20:43

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和低成本制備，在過去十年間引發(fā)了廣泛的研究熱潮，并被認為是最有潛力替代傳統(tǒng)硅太陽能電池的下一代光伏技術(shù)之一。然而，鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性一直是限制其實際應(yīng)用的主要障礙。

南方科技大學(xué)王湘麟教授團隊聯(lián)合阿卜杜拉國王科技大學(xué) (KAUST) Stefaan De Wolf 教授近期取得重大突破，通過缺陷管理和離子滲透阻擋策略，成功研發(fā)出高性能、高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率達到驚人的 25.1%，這項研究成果發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會期刊《ACS Energy Letters》上。

鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性挑戰(zhàn)

鈣鈦礦材料的本質(zhì)缺陷和外部環(huán)境的影響，會導(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池的性能衰退，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

l 缺陷：鈣鈦礦材料的晶格中存在各種缺陷，例如空位缺陷、間隙缺陷和反位缺陷等。這些缺陷會充當(dāng)電荷陷阱，導(dǎo)致電荷重組，降低器件的效率和穩(wěn)定性。

l 離子遷移：鈣鈦礦材料中的離子，例如碘離子和有機胺離子，在電場作用下會發(fā)生遷移，導(dǎo)致器件的電流-電壓特性發(fā)生變化，并影響器件的穩(wěn)定性。

l 水分和氧氣：鈣鈦礦材料對水分和氧氣敏感，會發(fā)生降解，影響器件的性能和壽命。

本研究使用設(shè)備
SS-X系列AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器
QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案

缺陷管理與離子滲透阻擋策略的雙重作用

王湘麟教授團隊針對鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)，提出了創(chuàng)新的缺陷管理和離子滲透阻擋策略。

缺陷管理：團隊使用苯肼-4-磺酸 (PHPA) 作為添加劑，在鈣鈦礦薄膜形成過程中調(diào)節(jié)晶體生長。PHPA 的作用機制主要包括：

l抑制碘空位 (VI) 的形成： DFT 計算表明 PHPA 可以與鈣鈦礦晶格中的 Pb2+ 離子形成配位鍵，有效抑制碘空位的形成，減少電荷陷阱，提高電荷轉(zhuǎn)移效率。

l鈍化配位不足的 Pb2+ 離子： PHPA 可以與位于鈣鈦礦晶格表面的配位不足的 Pb2+ 離子形成配位鍵，降低缺陷密度，提高材料的穩(wěn)定性。

離子滲透阻擋：團隊使用全氟辛酸 (PFOA) 來鈍化位于鈣鈦礦表面上的懸掛 Pb2+ 缺陷，提高表面疏水性，并抑制 Li+ 離子從空穴傳輸層 (HTL) 向鈣鈦礦底部遷移。PFOA 的作用機制主要包括：

l鈍化表面缺陷： PFOA 可以與位于鈣鈦礦表面上的懸掛 Pb2+ 離子形成配位鍵，有效鈍化缺陷，降低電荷重組。

l提高表面疏水性： PFOA 是疏水性物質(zhì)，可以有效提高鈣鈦礦薄膜的表面疏水性，減少水分和氧氣的滲透，提高器件的環(huán)境穩(wěn)定性。

l抑制 Li+ 離子遷移： PFOA 可以形成疏水性保護層，有效阻擋 Li+ 離子從 HTL 向鈣鈦礦底部遷移，提高器件的操作穩(wěn)定性。

Enlitech 量測設(shè)備助攻研究突破

王湘麟教授團隊在研究中使用了光焱科技 (Enlitech) 的 SS-X 系列太陽光模擬器和 QE-R 量子效率測試儀，這兩款設(shè)備在鈣鈦礦太陽能電池的性能測試和評估中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

-SS-X AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器 可以精確模擬太陽光譜，為鈣鈦礦太陽能電池提供真實的測試環(huán)境，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。該設(shè)備模擬光譜的精度和穩(wěn)定性，對於準(zhǔn)確評估鈣鈦礦太陽能電池的性能至關(guān)重要。

-QE-R 量子效率測試儀 則可以測量不同波長光照下器件的外部量子效率 (EQE)，幫助研究人員分析光電轉(zhuǎn)換過程，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料選擇。該設(shè)備能夠提供關(guān)于器件在不同波長下光電轉(zhuǎn)換效率的信息，幫助研究人員深入了解材料的光電特性，並優(yōu)化器件設(shè)計，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

高效率、高穩(wěn)定性的突破性成果

通過缺陷管理和離子滲透阻擋策略的雙重作用，以及 Enlitech 量測設(shè)備的輔助，王湘麟教授團隊成功研發(fā)出具有高效率和高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率達到 25.1%，并且在最大功率點 (MPP) 跟蹤測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

未來展望

王湘麟教授團隊的突破性研究成果，為鈣鈦礦太陽能電池的實際應(yīng)用開闢了新的道路。未來，研究人員將繼續(xù)探索更有效的缺陷管理和離子滲透阻擋策略，并結(jié)合先進的表徵手段和模擬計算，進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，推動該技術(shù)走向商業(yè)化應(yīng)用。

本文參數(shù)圖:

Fig. S17_ 該圖顯示了不同薄膜的器件在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性測試結(jié)果。在相同的環(huán)境條件下，PHPA+PFOA 薄膜器件比 Control 器件表現(xiàn)出更優(yōu)異的穩(wěn)定性。圖 S17a 突出了環(huán)境穩(wěn)定性的顯著提高，其中 PHPA+PFOA 器件在暴露于環(huán)境條件下 5000 小時后仍保持其初始 PCE 的 88% 以上，而 Control 器件僅保留其初始值的 60%。此外，PHPA+PFOA 薄膜器件在高溫高濕條件下表現(xiàn)出非凡的穩(wěn)定性，如圖 17d 所示。在暴露于空氣中 10 天后，PHPA+PFOA 器件保持其初始 PCE 的 89% 以上，而 Control 器件的性能迅速下降到其初始值的 25%。這些結(jié)果表明，PHPA+PFOA 器件比 Control 器件具有更優(yōu)異的穩(wěn)定性，尤其是在高溫高濕條件下。這種增強的穩(wěn)定性可以歸因于幾個因素，包括添加 PHPA 和 PFOA 改性所導(dǎo)致的缺陷密度降低、疏水性提高以及離子遷移抑制。

重要性：該圖證明了 PHPA 和 PFOA 的添加可以有效提高鈣鈦礦太陽能電池的環(huán)境和操作穩(wěn)定性，這是該研究中最重要的成果之一。

Figure S6. Steady-state photoluminescence (PL) spectra for perovskite films the Control, PHPA, and PHPA+PFOA
該圖顯示了不同薄膜的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光 (PL) 光譜。與 Control 薄膜相比，PHPA 薄膜的 PL 強度更強，表明在添加 PHPA 后，薄膜的非輻射重組被有效抑制。在進行 PFOA 改性后，得到的 PHPA+PFOA 薄膜的 PL 強度。

重要性：該圖表明 PHPA 和 PFOA 可以有效降低鈣鈦礦薄膜的非輻射重組，從而提高其光電轉(zhuǎn)換效率。

Fig S14. (a) Steady-state PL and (b) TRPL spectra of Glass/PVSK/PFOA, Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD and Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD. 該圖顯示了不同薄膜的穩(wěn)態(tài) PL 和 TRPL 光譜。為了研究 PFOA 對空穴提取的影響，研究人員對 Glass/PVSK/PFOA、Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 和 Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜進行了 PL 和 TRPL 測量。如圖 a 所示，Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜的 PL 猝滅速度快于 Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 薄膜，表明 PFOA 改性可以提高空穴提取效率。這種機制可能是由于功函數(shù)的降低造成的，這一點得到了 KPFM 結(jié)果的支持。進一步進行了時間分辨 PL (TRPL) 測量，以確定 Glass/PVSK/PFOA、Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 和 Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜的載流子壽命。如圖 b 所示，Glass/PVSK/PFOA、Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 和 Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜的平均載流子壽命分別為 265.92 ns、101.89 ns 和 88.02 ns。Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜中觀察到的最短載流子壽命與其最快的 PL 猝滅行為相一致，這進一步表明 PFOA 改性可以促進載流子提取。

重要性：該圖表明 PFOA 可以促進空穴提取，提高器件的性能。

Figure S16. Jsc to the light intensity plots of PSCs. 該圖顯示了 PSC 的短路電流密度 (Jsc) 與光強度的關(guān)系圖。Jsc 與光強度的關(guān)係表明，PHPA+PFOA 器件的 α 值最佳為 0.95，表明其具有最高的電荷載流子提取效率。

重要性：該圖表明 PHPA 和 PFOA 的添加可以提高器件的電荷載流子提取效率，從而提高器件的性能。