Nat. Energy. 8月必读 Sargent团队全钙钛矿叠层太阳能电池PCE效率28.8%
时间：2024-08-22 阅读：432
全钙钛矿叠层太阳能电池因其迅速提升的功率转换效率（PCE）及潜在突破单结电池极限的能力而备受关注。然而，尽管取得了显着进展，其耐用性仍需提升。
当前先进的反转p-i-n结构电池在退火后常出现缺陷，导致钙钛矿/电子传输层界面的高表面复合，尤其在混合锡铅电池中，表面Sn2+氧化引发的深陷阱状态进一步增加了复合和不稳定性，限制了电池的稳定运行。
美国西北大学Edward H. Sargent 团队于8月号Nature Energy发表针对提升全钙钛矿叠层太阳能电池的性能与稳定性的研究中，提出了重要的解决方案。研究发现，混合锡铅钙钛矿中的锡过量会引发氧化和非辐射复合问题，从而降低电池效率。通过使用二胺化合物，研究团队成功移除了薄膜表面的过量锡，并优化了锡铅比例，形成了具有抗氧化性的低维障碍层，有效减少了界面复合。进一步采用1,2-二胺丙烷提升了障碍层的均匀性，使得电池效率达到28.8%，且在经过1,000小时测试后，仍能保持90%的初始效率，显示出稳定性和潜力。
研究程序與設備使用說明
材料合成与处理：研究团队首先制备了混合Sn-Pb的钙钛矿薄膜，并使用乙二胺（EDA）、1,4-二氨基丁烷（DAB）和1,5-二氨基戊烷（DAP）等二胺螯合物进行表面处理，以改善薄膜的稳定性和性能。
薄膜表征：研究人员监测了Sn和Pb的化学状态以及薄膜表面的原子比例随时间的变化。此外，还观察薄膜的表面形态。
器件组装与测试：研究团队将处理过的钙钛矿薄膜组装成太阳能电池器件，并测试其开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）。
光学与电学分析：由此项研究程序使研究人员评估了激子的行为和寿命。
结构与性能关系：研究团队分析了二胺螯合物对钙钛矿薄膜的影响，包括螯合物的结构特性和它们与钙钛矿的相互作用，以及这些因素如何影响器件的整体性能。
稳定性评估：研究人员对太阳能电池的长期稳定性进行了评估，包括老化测试和环境条件下的性能变化。
比较与对照：最后，研究团队将他们的结果与其他相关研究进行比较，以验证其方法的有效性和创新性。
研究团队应用多种表征设备，如上图: X射线光电子能谱（XPS）﹐导电原子力显微镜（cAFM）等 ，藉以达到量测参数与理论验证上的吻合，进而强化高IF值的期刊对其研究理论收录。
光焱科技针对钙钛矿太阳能电池提供各种表征设备，不只是提供精准且高重复性的量测参数，且在十年的科研领域中，各大国际性期刊多数采纳了研究团队们使用光焱科技表征解决方案所量测的各项参数。
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光焱科技叠层太阳能电池太阳能电池测试软件示意图
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混合锡-铅钙钛矿薄膜應用有效提升全钙钛矿叠层太阳能电池
本研究成功克服了多项技术瓶颈。首先，解决了混合锡-铅低带隙层中长期存在的非辐射复合问题，这一问题一直限制着钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。其次，通过双胺螯合物的应用，显着减少了表面锡的氧化，避免了由此导致的表面重组和性能下降。此外，研究团队通过形成低维电阻屏障层，成功钝化了表面缺陷，进一步减少了界面复合。最后，研究还解决了混合锡-铅钙钛矿薄膜中的成分梯度问题，该问题会加剧氧化并增加复合率。
因此，得到了:
效能提升：研究团队开发了使用双胺螯合物的方法，特别是1,2-二胺丙烷（DAP），来改善混合锡-铅钙钛矿薄膜的稳定性和效能。经过处理的串联太阳能电池达到了28.8%的功率转换效率（PCE）。
稳定性增强：经过封装的叠层太阳能电池在模拟一太阳光照下运行1,000小时后，仍能保持90%的初始效率，显示出运行稳定性。
界面重组减少：双胺螯合物通过减少界面重组和抑制锡的氧化，提高了太阳能电池的整体性能。
均匀性改善：使用1,2-二胺丙烷改善了螯合物在薄膜上的空间分布均匀性，从而实现了更有效的缺陷钝化和表面传导性控制。
长时间运行：研究展示了在最大功率点追踪（MPP）条件下，经过DAP处理的太阳能电池在空气中不冷却情况下能够保持较长时间的高效率运行。
上述成果不仅为钙钛矿太阳能电池的效能和稳定性提升提供了重要科学依据，也为未来的技术应用奠定了坚实基础。
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文献参考自Nat. Energy.Aug.2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01613-8
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