全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池因其迅速提升的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）及潛在突破單結(jié)電池極限的能力而備受關(guān)注。然而，盡管取得了顯著進(jìn)展，其耐用性仍需提升。
當(dāng)前先進(jìn)的反轉(zhuǎn)p-i-n結(jié)構(gòu)電池在退火后常出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致鈣鈦礦/電子傳輸層界面的高表面復(fù)合，尤其在混合錫鉛電池中，表面Sn2+氧化引發(fā)的深陷阱狀態(tài)進(jìn)一步增加了復(fù)合和不穩(wěn)定性，限制了電池的穩(wěn)定運(yùn)行。
美國(guó)西北大學(xué)Edward H. Sargent?團(tuán)隊(duì)于8月號(hào)Nature Energy發(fā)表針對(duì)提升全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的性能與穩(wěn)定性的研究中，提出了重要的解決方案。研究發(fā)現(xiàn)，混合錫鉛鈣鈦礦中的錫過(guò)量會(huì)引發(fā)氧化和非輻射復(fù)合問(wèn)題，從而降低電池效率。通過(guò)使用二胺化合物，研究團(tuán)隊(duì)成功移除了薄膜表面的過(guò)量錫，并優(yōu)化了錫鉛比例，形成了具有抗氧化性的低維障礙層，有效減少了界面復(fù)合。進(jìn)一步采用1,2-二胺丙烷提升了障礙層的均勻性，使得電池效率達(dá)到28.8%，且在經(jīng)過(guò)1,000小時(shí)測(cè)試后，仍能保持90%的初始效率，顯示出穩(wěn)定性和潛力。
研究程序與設(shè)備使用說(shuō)明
材料合成與處理：研究團(tuán)隊(duì)首先制備了混合Sn-Pb的鈣鈦礦薄膜，并使用乙二胺（EDA）、1,4-二氨基丁烷（DAB）和1,5-二氨基戊烷（DAP）等二胺螯合物進(jìn)行表面處理，以改善薄膜的穩(wěn)定性和性能。
薄膜表征：研究人員監(jiān)測(cè)了Sn和Pb的化學(xué)狀態(tài)以及薄膜表面的原子比例隨時(shí)間的變化。此外，還觀察薄膜的表面形態(tài)。
器件組裝與測(cè)試：研究團(tuán)隊(duì)將處理過(guò)的鈣鈦礦薄膜組裝成太陽(yáng)能電池器件，并測(cè)試其開(kāi)路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
光學(xué)與電學(xué)分析：由此項(xiàng)研究程序使研究人員評(píng)估了激子的行為和壽命。
結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系：研究團(tuán)隊(duì)分析了二胺螯合物對(duì)鈣鈦礦薄膜的影響，包括螯合物的結(jié)構(gòu)特性和它們與鈣鈦礦的相互作用，以及這些因素如何影響器件的整體性能。
穩(wěn)定性評(píng)估：研究人員對(duì)太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，包括老化測(cè)試和環(huán)境條件下的性能變化。
比較與對(duì)照：最后，研究團(tuán)隊(duì)將他們的結(jié)果與其他相關(guān)研究進(jìn)行比較，以驗(yàn)證其方法的有效性和創(chuàng)新性。
研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用多種表征設(shè)備，如上圖: X射線光電子能譜（XPS）﹐導(dǎo)電原子力顯微鏡（cAFM）等 ，藉以達(dá)到量測(cè)參數(shù)與理論驗(yàn)證上的吻合，進(jìn)而強(qiáng)化高IF值的期刊對(duì)其研究理論收錄。
光焱科技針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供各種表征設(shè)備，不只是提供精準(zhǔn)且高重復(fù)性的量測(cè)參數(shù)，且在十年的科研領(lǐng)域中，各大國(guó)際性期刊多數(shù)采納了研究團(tuán)隊(duì)們使用光焱科技表征解決方案所量測(cè)的各項(xiàng)參數(shù)。
近年來(lái)，鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池逐漸成為研究流派之一的同時(shí)，光焱科技也同步因應(yīng)研究的需求，強(qiáng)化了設(shè)備的專門(mén)性。 SS-PST100R就是專為鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池 所設(shè)計(jì)的完整解決方案
光焱科技疊層太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池測(cè)試軟件示意圖
通過(guò)SS-PST測(cè)試鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池的IV曲線。在光譜調(diào)制下，子電池達(dá)到了光譜匹配和電流匹配條件，獲得了最佳的填充因子和轉(zhuǎn)換效率。
混合錫-鉛鈣鈦礦薄膜應(yīng)用有效提升全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池
本研究成功克服了多項(xiàng)技術(shù)瓶頸。首先，解決了混合錫-鉛低帶隙層中長(zhǎng)期存在的非輻射復(fù)合問(wèn)題，這一問(wèn)題一直限制著鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能和穩(wěn)定性。其次，通過(guò)雙胺螯合物的應(yīng)用，顯著減少了表面錫的氧化，避免了由此導(dǎo)致的表面重組和性能下降。此外，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)形成低維電阻屏障層，成功鈍化了表面缺陷，進(jìn)一步減少了界面復(fù)合。最后，研究還解決了混合錫-鉛鈣鈦礦薄膜中的成分梯度問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì)加劇氧化并增加復(fù)合率。
因此，得到了:
效能提升：研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了使用雙胺螯合物的方法，特別是1,2-二胺丙烷（DAP），來(lái)改善混合錫-鉛鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性和效能。經(jīng)過(guò)處理的串聯(lián)太陽(yáng)能電池達(dá)到了28.8%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
穩(wěn)定性增強(qiáng)：經(jīng)過(guò)封裝的疊層太陽(yáng)能電池在模擬一太陽(yáng)光照下運(yùn)行1,000小時(shí)后，仍能保持90%的初始效率，顯示出運(yùn)行穩(wěn)定性。
界面重組減少：雙胺螯合物通過(guò)減少界面重組和抑制錫的氧化，提高了太陽(yáng)能電池的整體性能。
均勻性改善：使用1,2-二胺丙烷改善了螯合物在薄膜上的空間分布均勻性，從而實(shí)現(xiàn)了更有效的缺陷鈍化和表面?zhèn)鲗?dǎo)性控制。
長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行：研究展示了在最大功率點(diǎn)追蹤（MPP）條件下，經(jīng)過(guò)DAP處理的太陽(yáng)能電池在空氣中不冷卻情況下能夠保持較長(zhǎng)時(shí)間的高效率運(yùn)行。
上述成果不僅為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效能和穩(wěn)定性提升提供了重要科學(xué)依據(jù)，也為未來(lái)的技術(shù)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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文獻(xiàn)參考自Nat. Energy.Aug.2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01613-8
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