混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池，尤其是鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池 (PSTs)，展現出巨大的潛力，但其長期穩定性，尤其是寬帶隙 (WBG) 鈣鈦礦吸收體的穩定性，仍然是一個挑戰。WBG 吸收體薄膜的晶體質量差和多晶取向導致離子遷移和相分離，從而降低器件壽命。
來自北京理工大學的陳棋團隊于Science 2024年8月1日第6708期中發表研究中，著重于成核工程，通過促進 3C 相成核并控制前體組成，以獲得具有優異晶體質量和紋理的 WBG 吸收體。這種方法有效減少了非輻射復合，增強了對熱降解、離子遷移和相分離的穩定性。基于此，團隊實現了在 1 cm2 和 25 cm2 活性區域中分別為 32.5% 和 29.4% 的高效率 鈣鈦礦/晶硅疊層電池，并在長期穩定性方面取得了顯著突破。
導讀目錄
1. 晶體成核工程技術改善了各種老化應力的影響力
2. 研究結果表征
3. 成果：結晶核工程有效提升高效疊層太陽能電池效率與長期穩定性
晶體成核工程技術改善了各種老化應力的影響力
陳棋研究團隊主要針對寬帶隙WBG的特性進行優化的程序，通過在任何溴化物富集聚集和2H相形成之前，優先核化3C相，實現了寬帶隙（WBG）吸收層的改善結晶性和強紋理，從而抑制了非輻射復合，增強了對各種老化應力的抵抗力。
1. 結晶質量和紋理特性：
改善寬帶隙（WBG）吸收體的結晶性和紋理，解決因結晶質量差導致的問題，如多晶粒取向和晶面暴露。
2. 非輻射復合和能量損失：
減少非輻射復合，提高能量轉換效率，通過準費米能級分裂（QFLS）和時間分辨光致發射（TRPL）來評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致的問題，通過核工程促進3C相的成核，避免溴化物的遷移和相轉變。
4. 晶體生長過程控制：
通過核工程和薄膜沉積技術，控制晶體生長過程，從而實現高度定向的晶體生長和改善的結晶質量。
實驗步驟
1. 前驅體制備：
使用特定的化學試劑和溶劑制備鈣鈦礦前驅體，包括PbI2、PbBr2、CsI、MAI、FAI等。
將這些化學物質溶解在混合溶劑中，如DMF和DMSO的混合物，并在50°C下攪拌3小時直至溶解，然后過濾。
2. 添加成核劑：
在前驅體中添加不同濃度的長鏈烷基胺鹽，如OAmI（烯丙基銨碘），以控制成核過程。
3. 旋轉涂布：
將過濾后的前驅體溶液旋轉涂布在合適的基板上，如石英、ITO或硅太陽能電池。采用特定的旋轉涂布參數，如旋轉速度和時間，以控制薄膜的厚度和均勻性。
4. 抗溶劑處理：
在旋轉涂布過程中，使用抗溶劑（如氯苯）來促進薄膜的結晶和均勻性。
5. 真空淬火：
將涂布好的薄膜立即轉移到自制的真空閃爐中，進行真空淬火處理，以進一步改進晶體的質量和均勻性。
6. 氣體淬火：
在旋轉涂布過程中，使用氮氣流來淬火，促進薄膜的結晶。
7. Slot-die涂布和真空淬火：
8. 使用Slot-die涂布技術，結合真空淬火，來沉積大面積的鈣鈦礦薄膜。
研究結果表征
研究團隊采用綜合性量測手法的應用一一進行驗證，不僅幫助研究團隊深入理解和改進WBG吸收體的結晶質量、穩定性和太陽能電池的整體性能，透過補充數據的記載中，了解到研究團隊采用XRD和GIWAX用于評估多晶吸收體的結晶質量和紋理特性，從而理解晶體的生長和相轉變過程;能量損失和載流子行為采用PL和QFL，量化能量損失，從而了解非輻射復合中心的數量; TRPL的量測用于研究WBG吸收體的載流子壽命，進一步評估非輻射復合中心的數量和影響。原位和離體PL測量，研究溴化物在退火過程中的分布和光穩定性，從而解決因溴化物遷移和相分離導致的問題; 原位GIWAXS測量，在程序化的退火過程中追蹤晶體生長的實時變化，從而理解核工程對晶體生長的影響。
X射線衍射（XRD）：
二維同步輻射掠入射寬角X射線散射（GIWAXS）：
掃描電子顯微鏡（SEM）：
紫外-可見-近紅外（UV-VIS-NIR）分光亮度計：
光致發光（PL）光譜：
使用PL光譜儀來測量鈣鈦礦薄膜的光致發光特性。PL光譜可以提供關于薄膜的能帶結構、激子復合和缺陷的信息。
準費米能級分裂（QFLS）計算：
通過PL強度的對比，計算準費米能級分裂的增強，從而評估電子-空穴復合情況和薄膜的電學性能。
太陽能電池性能測試：
研究團隊采用了光焱科技QE-R 量子效率量測設備進行測量單結和串聯太陽能電池的電流-電壓（J-V）特性，以及外量子效率（EQE）譜。這些數據可以用來評估太陽能電池的性能，如開路電壓（Voc）、短路電流（Jsc）、填充因子（FF）和轉換效率（PCE）。
快速取得疊層太陽能電池量測步驟示意圖
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圖 S25. 單結 WBG 太陽能電池的光伏參數，包括 (A) 開路電壓 (VOC)、(B) 短路電流密度 (JSC)、(C) 填充因子 (FF) 和 (D) 光電轉換效率 (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體制成。器件結構為 ITO/polyTPD/PFNBr/WBG 吸收層/C60/BCP/Cu。當 OAmI 濃度超過 1 mg/mL 時，很可能在晶界處存在一些非晶絕緣層，這會影響載流子提取，從而降低最終器件的填充因子。
圖 S26. 疊層器件在 1.69 V 電壓下的穩定功率輸出 (SPO)
穩定性測試：
對鈣鈦礦吸收層和太陽能電池進行熱穩定性、光穩定性和長期穩定性測試。通過長時間的老化測試，評估材料和器件的穩定性。
o 針對本研究發表中另一項關注的核心” 穩定性和耐久性”，團隊使用了光焱科技的SS-X系列太陽光模擬器進行環境壓力與溫度測試，在仿真環境中，通過全譜照明、操作溫度等來評估設備的性能穩定性。另外，也進行了長時間操作穩定性測試：通過在最大功率點（MPP）條件下進行連續1-sun照明，來評估封裝設備的長期穩定性，解決因熱、光或電壓引起的降解問題。
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快速取得疊層太陽能電池量測步驟示意圖
成果：結晶核工程有效提升高效疊層太陽能電池效率與長期穩定性
研究團隊透過各項痛點的突破及表征技術的應用驗證上，成功地達成幾項驚人的成果并獲得Science的認證。
1. 核工程策略：通過在鈣鈦礦前驅體中添加長鏈烷基胺配體，促進了3C相的成核，避免了溴化物的不均勻分布和隨后的相轉變。
2. 結晶質量和紋理改善：實現了WBG吸收體的改善結晶質量和強紋理，從而減少非輻射復合，提高了能量轉換效率和穩定性。
3. 高效率太陽能電池：
在1cm2和25cm2活性區域下分別實現了32.5%和29.4%的高PCE。
優化的封裝PST在25°C和50°C下分別保持了98.3%和90%的初始PCE，顯示出良好的長期運行穩定性。
4. 長期運行穩定性：
o 通過核工程和薄膜沉積技術，提高了太陽能電池在長期運行中的穩定性，特別是在不同溫度條件下。
o 長時間操作穩定性測試顯示，封裝設備在1301和800小時后分別保持了初始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題，實現了大面積WBG吸收體的均勻結晶質量和紋理，從而實現高效的大面積太陽能電池。
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文獻參考自Science 1st Aug.2024_ DOI: 10.1126/science.ado9104
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