鈣鈦礦太陽能電池（PSC）在近年來展現出驚人的發(fā)展勢頭， 其高效率、低成本和制備工藝簡單等優(yōu)點， 使得它成為下一代太陽能電池的重要候選技術。 然而， 鈣鈦礦材料本身存在著一些挑戰(zhàn)， 例如， 材料的穩(wěn)定性問題， 以及在器件制備過程中， 不同晶體生長方向的控制問題。
鈣鈦礦薄膜成為未來鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的主要關鍵，主要原因有：
l 高光電轉換效率: 鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光吸收性能和電子-空穴對的生成能力，能夠實現高效的光電轉換。目前，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經超過25%，與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相媲美。
l 低成本生產: 鈣鈦礦材料的原料豐富且價格低廉，其制造過程可以采用溶液處理、噴涂、旋涂等低溫工藝，顯著降低生產成本。相比之下，傳統(tǒng)的硅基太陽能電池需要高溫、高真空的復雜工藝。
l 材料可調性: 通過改變鈣鈦礦材料的組成和結構， 可以調節(jié)其能帶結構、光吸收范圍和載流子遷移率。這種可調性使得鈣鈦礦太陽能電池能夠適應不同的應用需求，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、 柔軟的太陽能電池。此外， 其可打印性使得大面積生產成為可能， 進一步降低了制造成本并拓寬了應用領域， 如便攜式電子設備、 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能電池存在穩(wěn)定性問題， 但通過界面工程、 材料改性和封裝技術的改進， 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)化應用鋪平了道路。
為了解決這些問題， 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)定的鈣鈦礦太陽能電池器件。
近期， 中國科學院大連化學物理研究所李燦院士帶領的研究團隊在 Energy & Environmental Science 雜志發(fā)表了一項重磅研究成果。 他們的研究揭示了鈣鈦礦薄膜中 (111) 晶面的優(yōu)勢， 并通過巧妙的添加劑策略， 成功地實現了 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜的制備。 相比傳統(tǒng) (100) 晶面主導的薄膜， 該團隊獲得的 (111) 晶面薄膜展現出更強的抗潮氣性能， 并擁有更好的穩(wěn)定性和更高的效率！
【(111) 晶面主導： 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) 晶面展現出了優(yōu)勢， 例如更強的抗潮氣性能， 以及更高的光電轉化效率。
該團隊通過將有機銨鹽（OAS）添加到 PbI2 前驅體溶液中， 利用兩步沉積法成功制備出了 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜。 他們的研究揭示了這種 (111) 晶面的形成機制：
OAS 陽離子的作用: OAS 陽離子的尺寸比 FA+ 離子更大， 它們在第一步中會插入 PbI2 層間， 阻礙 FA+ 在第二步中進入 (100) 晶面暴露的晶體， 從而抑制了 (100) 晶面的生長。
(111) 晶面的優(yōu)勢: 而 FA+ 離子會位于 (111) 晶面外部， 不會受到 OAS 陽離子的阻礙， 使得 (111) 晶面能夠自由生長， 最終獲得了 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜。
OAS 陰離子的作用: OAS 陰離子會減緩鈣鈦礦的生長速度， 延長 (100) 晶面生長的抑制時間， 進一步促進 (111) 晶面的形成。
最終， 他們制備的 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜展現出更高的穩(wěn)定性以及更高效的光電轉換特性， 在太陽能電池中實現了 25.23% 的光電轉化效率， 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(111) 晶面薄膜制備背后的奧秘】
為了對鈣鈦礦太陽能電池的性能進行精確的測量， 該團隊使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 以及 SS 系列 AM1.5G 太陽光仿真器。
QE-R 設備能夠在不同的波長下測量電池的外量子效率 (EQE)， 精確地分析鈣鈦礦材料的光電轉換特性。
SS 系列太陽光仿真器 可以模擬真實太陽光照射條件， 確保對電池性能的準確評估。
然而， 鈣鈦礦太陽能電池在研發(fā)過程中仍然面臨一些瓶頸問題：
l 穩(wěn)定性問題: 鈣鈦礦材料對濕氣、 氧氣和光照敏感， 容易發(fā)生降解， 導致器件性能快速下降。 如何提高鈣鈦礦薄膜的長期穩(wěn)定性仍是一個重大挑戰(zhàn)。
l 材料毒性: 鈣鈦礦材料中常用的鉛元素對環(huán)境和人類健康可能造成潛在危害。 尋找無鉛或低毒性替代材料是當前研究的重點之一。
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量一致性。 在大規(guī)模生產中， 實現穩(wěn)定可靠的工藝控制仍需進一步探索和優(yōu)化。
l 界面工程: 鈣鈦礦太陽能電池的性能受制于各層界面的質量和相互作用。 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， 以進一步提升器件的整體效率和穩(wěn)定性。
l 規(guī)模化生產技術: 如何將實驗室中的高效制備方法轉化為適合工業(yè)化大規(guī)模生產的工藝， 需要在設備、 工藝參數和材料選擇上進行大量研究和試驗。
l 封裝技術: 有效的封裝技術對于保護鈣鈦礦太陽能電池免受外界環(huán)境影響至關重要。 如何實現低成本、 高效率的封裝是商業(yè)化應用中的一個重要課題。
l 標準化和一致性: 不同研究團隊之間的實驗方法和評價標準可能存在差異， 導致研究結果的可比性和一致性問題。 建立統(tǒng)一的測試和評價標準有助于推動鈣鈦礦太陽能電池的進一步發(fā)展
【開拓新的方向: 助力鈣鈦礦太陽能技術應用】
該研究團隊通過精確控制有機銨鹽的添加量和使用不同的退火條件， 成功地實現了對鈣鈦礦薄膜 (111) 晶面的定向調控。 他們不僅為提高鈣鈦礦太陽能電池效率提供了新的解決方案， 同時也為研究者更好地理解鈣鈦礦薄膜的生長過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能電池的大規(guī)模應用做出更大貢獻。
中國科學院大連化學物理研究所李燦院士團隊在鈣鈦礦太陽能電池研究方面取得了突破性進展。 他們成功地實現了 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜的制備， 顯著提升了太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。 這一研究成果為鈣鈦礦太陽能電池的未來發(fā)展提供了重要的指導和參考。
重要技術參數：
鈣鈦礦太陽能電池效率: 25.23%
關鍵技術: 添加劑策略控制， 促進 (111) 晶面生長
關鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 和 SS 系列 AM1.5G 太陽光仿真器
參考文獻
Dominating (111) Facets with ordered stacking in Perovskite Films_ Energy Environ. Sci., 2024_ DOI: 10.1039/D4EE01863J
【本研究參數圖】
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的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的Voc對光強度依賴曲線
推薦設備
1. QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
具有以下特色優(yōu)勢：
高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準光源，確保 EQE 測量的準確性和可靠性。
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 測量。
快速測量:QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數據采集功能，能夠高效地進行 EQE 光譜測量。
易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學者也能輕松上手。
多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進行 EQE 測量，還可以進行反射率、透射率等光學特性的測量，具有多功能性。
2. SS-X系列_AM1.5G A+級太陽光仿真器
AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器
A+ 光譜：接近 AM1.5G 標準光譜
A+ 輻照度的時間不穩(wěn)定性
SS-IRIS：自主研發(fā)技術自動光強操控
適合與手套箱集成的輸出光束方向
IVS-KA6000：IV測量軟件 所有 SS-X 系列太陽光模擬器都可以通過 IVS-KA6000 軟件進行控制，該軟件是 IV 測量軟件，可用于準確的 PV 表征。不僅是光閘，輸出光輻照度也可以通過 IVS-KA6000 IV 軟件進行操控，幫助用戶輕松完成不同光強下復雜的 IV 測試或 Sun- Voc測試。來自 IVS-KA6000 的所有 IV 數據都可以通過 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據處理時間，并可加快整體工藝改進研發(fā)的時程。
文獻參考自 Energy Environ. Sci., 2024_ DOI: 10.1039/D4EE01863J
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