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(rèn)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。 近年來，PSCs 的效率不斷提升，并在 NREL 的效率認(rèn)證數(shù)據(jù)中屢創(chuàng)新高。
加拿大多倫多大學(xué) Edward H. Sargent 教授團(tuán)隊一直在該領(lǐng)域，他們在 2023 年底再次取得重大突破，其研發(fā)的倒置鈣鈦礦太陽能電池，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到驚人的 26.15%，并獲得 NREL 認(rèn)證的穩(wěn)態(tài)效率，再次刷新了 NREL 的世界紀(jì)錄，為該領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的活力。
正置（n-i-p）結(jié)構(gòu)與倒置（p-i-n）結(jié)構(gòu)的差異
鈣鈦礦太陽能電池主要分為正置結(jié)構(gòu)和倒置結(jié)構(gòu)兩種，它們在電極結(jié)構(gòu)、制備溫度、穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率等方面存在顯著差異。
正置結(jié)構(gòu) (n-i-p): 電極結(jié)構(gòu)為透明導(dǎo)電氧化物 (TCO) / 電子傳輸層 (ETL) / 鈣鈦礦層 / 空穴傳輸層 (HTL) / 金屬電極。
倒置結(jié)構(gòu) (p-i-n): 電極結(jié)構(gòu)為透明導(dǎo)電氧化物 (TCO) / 空穴傳輸層 (HTL) / 鈣鈦礦層 / 電子傳輸層 (ETL) / 金屬電極。
兩者的優(yōu)缺點對比：
結(jié)構(gòu) 優(yōu)點 缺點
正置結(jié)構(gòu) 成本較低，制備工藝相對簡單。 環(huán)境穩(wěn)定性較差，容易受潮氣影響。
倒置結(jié)構(gòu) 環(huán)境穩(wěn)定性更好，可避免水分和氧氣的直接接觸鈣鈦礦層。 制備工藝相對復(fù)雜，成本較高。
近年來，倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出優(yōu)勢，并逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點。
本研究使用設(shè)備
QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
Sargent 教授團(tuán)隊的突破性研究
Sargent 教授團(tuán)隊的研究成果發(fā)表在國際頂尖期刊《Science》上。這項研究的突破在于使用擬鹵素 (PH) 陰離子工程來實現(xiàn)鈣鈦礦材料的表面鈍化，并利用雙分子鈍化策略，有效地解決了倒置鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性問題。
傳統(tǒng)的表面鈍化方法，通常采用有機(jī)分子或無機(jī)材料，這些材料只能鈍化一種缺陷類型，例如，鈍化供體缺陷或受體缺陷。而 Sargent 教授團(tuán)隊則利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從超過 106 個擬鹵素陰離子中篩選出 15 種具有雙功能的擬鹵素陰離子，這些陰離子可以同時鈍化供體缺陷和受體缺陷，有效地減少了鈣鈦礦材料中存在的缺陷，提高了器件的效率和穩(wěn)定性。
雙分子鈍化策略
Sargent 教授團(tuán)隊的研究重點是解決倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池中，鈣鈦礦/C60 界面非輻射重組損失的問題。他們采用了雙分子鈍化策略，使用兩種功能性分子來鈍化表面缺陷，并控制電荷載流子的行為。
硫改性甲硫基分子： 這些分子通過強(qiáng)配位鍵和氫鍵，可以有效地鈍化鈣鈦礦表面的缺陷，抑制非輻射重組。
二胺分子： 這些分子通過場效應(yīng)鈍化，可以排斥少數(shù)載流子，減少接觸引起的界面重組。
這種雙分子鈍化策略，使得器件的載流子壽命延長了五倍，光致發(fā)光量子效率損失降低了三分之一。
光焱科技產(chǎn)品助攻研究突破
Sargent 教授團(tuán)隊在研究中使用了光焱科技 (Enlitech) 的 SS-X100 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-X100 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
突破性的成果
Sargent 教授團(tuán)隊的努力最終獲得了豐碩的成果，其研發(fā)的倒置鈣鈦礦太陽能電池，在 NREL 認(rèn)證的穩(wěn)態(tài)測試中，效率達(dá)到了 24.04%，並在實驗室測試中取得了 26.15% 的能量轉(zhuǎn)換效率。 此外，在 65°C 的環(huán)境溫度下，器件在最大功率點 (MPP) 下運行超過 2000 小時，仍保持 96% 的初始效率。
效率紀(jì)錄最高的單位及主要PI
目前，倒置鈣鈦礦太陽能電池的效率紀(jì)錄保持者是美國西北大學(xué)和多倫多大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊。主要PI 為 Edward H. Sargent（多倫多大學(xué)）和 Bin Chen（西北大學(xué)）。
未來展望
Sargent 教授團(tuán)隊的突破性研究成果，為鈣鈦礦太陽能電池的實際應(yīng)用開辟了新的道路。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(jìn)的表征手段和模擬計算，進(jìn)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. S19_ 顯示了對照組和添加 4Cl-BZS 的器件的外部量子效率 (EQE) 光譜。重要性：EQE 光譜可以提供器件在不同波長光照下產(chǎn)生電流的效率資訊，顯示了添加劑對器件 EQE 的影響。
*本數(shù)據(jù)採用光焱科技-QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)((記載于SI文件中))*
Figure S20. 顯示了添加 4Cl-BZS 的器件的 EQE 光譜的微分圖。重要性：微分圖可以更清楚地顯示 EQE 光譜的變化趨勢，有助於分析器件性能的影響因素。
*本數(shù)據(jù)採用光焱科技-QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)((記載于SI文件中))*
原文出處: ACS Energy Lett. 2024, 9
推薦設(shè)備_
1. QE-R_流行和值得信賴的 QE / IPCE 系統(tǒng)
具有以下特色優(yōu)勢：
l高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準(zhǔn)光源，確保 EQE 測量的準(zhǔn)確性和可靠性。
l寬光譜范圍: QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。
l快速測量: QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進(jìn)行 EQE 光譜測量。
l易于操作: QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學(xué)者也能輕松上手。
l多功能: QE-R 系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行 EQE 測量，還可以進(jìn)行反射率、透射率等光學(xué)特性的測量，具有多功能性。
2. LQ-100X-PL 光致發(fā)光與發(fā)光量子產(chǎn)率測試系統(tǒng)
具有以下特色優(yōu)勢：
l以緊湊的設(shè)計，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配 4 吋外徑 PTFE 材質(zhì)的積分球，并且整合 NIST 追溯的校準(zhǔn)，讓手套箱整合 PL 與 PLQY 成為可能。
l利用先進(jìn)的儀表控制程序，可以進(jìn)行原位時間 PL 光譜解析，并且可產(chǎn)生 2D 與 3D 圖表，說明用戶可以更快地表征材料在原位時間的變化。
系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計可容易的做紅外擴(kuò)展，波長由1000 nm 至 1700 nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可兼容測試。
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