鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）在近年來(lái)展現(xiàn)出驚人的發(fā)展勢(shì)頭， 其高效率、低成本和制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)， 使得它成為下一代太陽(yáng)能電池的重要候選技術(shù)。 然而， 鈣鈦礦材料本身存在著一些挑戰(zhàn)， 例如， 材料的穩(wěn)定性問(wèn)題， 以及在器件制備過(guò)程中， 不同晶體生長(zhǎng)方向的控制問(wèn)題。

鈣鈦礦薄膜成為未來(lái)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展的主要關(guān)鍵，主要原因有：

l  高光電轉(zhuǎn)換效率: 鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光吸收性能和電子-空穴對(duì)的生成能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換。目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)25%，與傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池相媲美。

l  低成本生產(chǎn): 鈣鈦礦材料的原料豐富且價(jià)格低廉，其制造過(guò)程可以采用溶液處理、噴涂、旋涂等低溫工藝，顯著降低生產(chǎn)成本。相比之下，傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池需要高溫、高真空的復(fù)雜工藝。

l  材料可調(diào)性: 通過(guò)改變鈣鈦礦材料的組成和結(jié)構(gòu)， 可以調(diào)節(jié)其能帶結(jié)構(gòu)、光吸收范圍和載流子遷移率。這種可調(diào)性使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，并不斷提升其性能。

l  柔性和可打印性: 鈣鈦礦材料可以沉積在柔性基底上， 制造出輕便、 柔軟的太陽(yáng)能電池。此外， 其可打印性使得大面積生產(chǎn)成為可能， 進(jìn)一步降低了制造成本并拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域， 如便攜式電子設(shè)備、 建筑一體化光伏等。

l  穩(wěn)定性提升: 盡管早期的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池存在穩(wěn)定性問(wèn)題， 但通過(guò)界面工程、 材料改性和封裝技術(shù)的改進(jìn)， 鈣鈦礦薄膜的環(huán)境穩(wěn)定性和使用壽命有了顯著提升。 這為其商業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。

為了解決這些問(wèn)題， 科研人員一直在不斷探索新的制備方法和材料， 希望可以獲得更高效、 更穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件。

近期， 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在 Energy & Environmental Science 雜志發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究成果。 他們的研究揭示了鈣鈦礦薄膜中 (111) 晶面的優(yōu)勢(shì)， 并通過(guò)巧妙的添加劑策略， 成功地實(shí)現(xiàn)了 (111) 晶面主導(dǎo)的鈣鈦礦薄膜的制備。 相比傳統(tǒng) (100) 晶面主導(dǎo)的薄膜， 該團(tuán)隊(duì)獲得的 (111) 晶面薄膜展現(xiàn)出更強(qiáng)的抗潮氣性能， 并擁有更好的穩(wěn)定性和更高的效率！

【(111) 晶面主導(dǎo)： 穩(wěn)定性和效率的雙重提升】

通常情況下， 鈣鈦礦薄膜中 (100) 晶面更易于形成。 然而， (111) 晶面展現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)， 例如更強(qiáng)的抗潮氣性能， 以及更高的光電轉(zhuǎn)化效率。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將有機(jī)銨鹽（OAS）添加到 PbI2 前驅(qū)體溶液中， 利用兩步沉積法成功制備出了 (111) 晶面主導(dǎo)的鈣鈦礦薄膜。 他們的研究揭示了這種 (111) 晶面的形成機(jī)制：

OAS 陽(yáng)離子的作用: OAS 陽(yáng)離子的尺寸比 FA+ 離子更大， 它們?cè)诘谝徊街袝?huì)插入 PbI2 層間， 阻礙 FA+ 在第二步中進(jìn)入 (100) 晶面暴露的晶體， 從而抑制了 (100) 晶面的生長(zhǎng)。

(111) 晶面的優(yōu)勢(shì): 而 FA+ 離子會(huì)位于 (111) 晶面外部， 不會(huì)受到 OAS 陽(yáng)離子的阻礙， 使得 (111) 晶面能夠自由生長(zhǎng)， 最終獲得了 (111) 晶面主導(dǎo)的鈣鈦礦薄膜。

OAS 陰離子的作用: OAS 陰離子會(huì)減緩鈣鈦礦的生長(zhǎng)速度， 延長(zhǎng) (100) 晶面生長(zhǎng)的抑制時(shí)間， 進(jìn)一步促進(jìn) (111) 晶面的形成。

最終， 他們制備的 (111) 晶面主導(dǎo)的鈣鈦礦薄膜展現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性以及更高效的光電轉(zhuǎn)換特性， 在太陽(yáng)能電池中實(shí)現(xiàn)了 25.23% 的光電轉(zhuǎn)化效率， 顯著高于那些由混合 (111) 和 (100) 晶面組成的薄膜的效率。

【精密的操控: 解開(kāi)(111) 晶面薄膜制備背后的奧秘】

為了對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能進(jìn)行精確的測(cè)量， 該團(tuán)隊(duì)使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽(yáng)能電池量子效率光學(xué)儀 以及 SS 系列 AM1.5G 太陽(yáng)光仿真器。

QE-R 設(shè)備能夠在不同的波長(zhǎng)下測(cè)量電池的外量子效率 (EQE)， 精確地分析鈣鈦礦材料的光電轉(zhuǎn)換特性。

SS 系列太陽(yáng)光仿真器 可以模擬真實(shí)太陽(yáng)光照射條件， 確保對(duì)電池性能的準(zhǔn)確評(píng)估。

然而， 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在研發(fā)過(guò)程中仍然面臨一些瓶頸問(wèn)題：

l   穩(wěn)定性問(wèn)題: 鈣鈦礦材料對(duì)濕氣、 氧氣和光照敏感， 容易發(fā)生降解， 導(dǎo)致器件性能快速下降。 如何提高鈣鈦礦薄膜的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

l   材料毒性: 鈣鈦礦材料中常用的鉛元素對(duì)環(huán)境和人類健康可能造成潛在危害。 尋找無(wú)鉛或低毒性替代材料是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。

l   制造工藝控制: 鈣鈦礦薄膜的制備需要高度精確的工藝控制， 以確保薄膜的均勻性和質(zhì)量一致性。 在大規(guī)模生產(chǎn)中， 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的工藝控制仍需進(jìn)一步探索和優(yōu)化。

l   界面工程: 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能受制于各層界面的質(zhì)量和相互作用。 優(yōu)化各層界面的接觸特性、 降低界面缺陷和提高界面穩(wěn)定性是提升器件性能的關(guān)鍵。

l   電荷傳輸和收集效率: 盡管鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光電特性， 但電荷傳輸層和收集層的選擇和優(yōu)化仍需深入研究， 以進(jìn)一步提升器件的整體效率和穩(wěn)定性。

l   規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù): 如何將實(shí)驗(yàn)室中的高效制備方法轉(zhuǎn)化為適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的工藝， 需要在設(shè)備、 工藝參數(shù)和材料選擇上進(jìn)行大量研究和試驗(yàn)。

l   封裝技術(shù): 有效的封裝技術(shù)對(duì)于保護(hù)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池免受外界環(huán)境影響至關(guān)重要。 如何實(shí)現(xiàn)低成本、 高效率的封裝是商業(yè)化應(yīng)用中的一個(gè)重要課題。

l   標(biāo)準(zhǔn)化和一致性: 不同研究團(tuán)隊(duì)之間的實(shí)驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可能存在差異， 導(dǎo)致研究結(jié)果的可比性和一致性問(wèn)題。 建立統(tǒng)一的測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有助于推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展

【開(kāi)拓新的方向: 助力鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用】

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確控制有機(jī)銨鹽的添加量和使用不同的退火條件， 成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦薄膜 (111) 晶面的定向調(diào)控。 他們不僅為提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率提供了新的解決方案， 同時(shí)也為研究者更好地理解鈣鈦礦薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程提供了重要的研究方向。 他們的研究成果將為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的大規(guī)模應(yīng)用做出更大貢獻(xiàn)。

中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究方面取得了突破性進(jìn)展。 他們成功地實(shí)現(xiàn)了 (111) 晶面主導(dǎo)的鈣鈦礦薄膜的制備， 顯著提升了太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性。 這一研究成果為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的未來(lái)發(fā)展提供了重要的指導(dǎo)和參考。

重要技術(shù)參數(shù)：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率: 25.23%

關(guān)鍵技術(shù): 添加劑策略控制， 促進(jìn) (111) 晶面生長(zhǎng)

關(guān)鍵設(shè)備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽(yáng)能電池量子效率光學(xué)儀 和 SS 系列 AM1.5G 太陽(yáng)光仿真器

參考文獻(xiàn)

Dominating (111) Facets with ordered stacking in Perovskite Films_ Energy Environ. Sci., 2024_ DOI: 10.1039/D4EE01863J

【本研究參數(shù)圖】

Fig. S23 基于不同molar ratios鈣鈦礦薄膜器件的J–V曲線：(a) BAI與PbI2和(b) BAAc與PbI2

Fig. S25 顯示了控制組、添加BAI和BAAc后的光電轉(zhuǎn)換效率（EQE）和積分光電流密度（Jsc）

Fig. S26 控件、添加BAI和添加BAAc的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）的Voc對(duì)光強(qiáng)度依賴曲線

推薦設(shè)備

1.     QE-R_光伏 / 太陽(yáng)能電池量子效率測(cè)量解決方案

具有以下特色優(yōu)勢(shì)：

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(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

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(cè)量。

快速測(cè)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(cè)量。

易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，即使是初學(xué)者也能輕松上手。

多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行 EQE 測(cè)量，還可以進(jìn)行反射率、透射率等光學(xué)特性的測(cè)量，具有多功能性。

2.     SS-X系列_AM1.5G A+級(jí)太陽(yáng)光仿真器

AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽(yáng)光模擬器

• A+ 光譜：接近 AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜

• A+ 輻照度的時(shí)間不穩(wěn)定性

• SS-IRIS：自主研發(fā)技術(shù)自動(dòng)光強(qiáng)操控

• 適合與手套箱集成的輸出光束方向

IVS-KA6000：IV測(cè)量軟件 所有 SS-X 系列太陽(yáng)光模擬器都可以通過(guò) IVS-KA6000 軟件進(jìn)行控制，該軟件是 IV 測(cè)量軟件，可用于準(zhǔn)確的 PV 表征。不僅是光閘，輸出光輻照度也可以通過(guò) IVS-KA6000 IV 軟件進(jìn)行操控，幫助用戶輕松完成不同光強(qiáng)下復(fù)雜的 IV 測(cè)試或 Sun- Voc測(cè)試。來(lái)自 IVS-KA6000 的所有 IV 數(shù)據(jù)都可以通過(guò) IVS-KA-Viewer 讀取和分析，這是另一款多功能分析軟件。

KA-Viewer IV 分析軟件 可以大幅縮短用戶的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，并可加快整體工藝改進(jìn)研發(fā)的時(shí)程。

文獻(xiàn)參考自 Energy Environ. Sci., 2024_ DOI: 10.1039/D4EE01863J

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