鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優異的光電轉換效率和低成本制備，在過去十年間引發了廣泛的研究熱潮，并被認為是最有潛力替代傳統硅太陽能電池的下一代光伏技術之一。 近年來，PSCs 的效率不斷提升，并在 NREL 的效率認證數據中屢創新高。
加拿大多倫多大學 Edward H. Sargent 教授團隊一直在該領域，他們在 2023 年底再次取得重大突破，其研發的倒置鈣鈦礦太陽能電池，能量轉換效率達到驚人的 26.15%，并獲得 NREL 認證的穩態效率，再次刷新了 NREL 的世界紀錄，為該領域的發展注入了新的活力。
正置（n-i-p）結構與倒置（p-i-n）結構的差異
鈣鈦礦太陽能電池主要分為正置結構和倒置結構兩種，它們在電極結構、制備溫度、穩定性和光電轉換效率等方面存在顯著差異。
正置結構 (n-i-p): 電極結構為透明導電氧化物 (TCO) / 電子傳輸層 (ETL) / 鈣鈦礦層 / 空穴傳輸層 (HTL) / 金屬電極。
倒置結構 (p-i-n): 電極結構為透明導電氧化物 (TCO) / 空穴傳輸層 (HTL) / 鈣鈦礦層 / 電子傳輸層 (ETL) / 金屬電極。
兩者的優缺點對比：
結構 優點 缺點
正置結構 成本較低，制備工藝相對簡單。 環境穩定性較差，容易受潮氣影響。
倒置結構 環境穩定性更好，可避免水分和氧氣的直接接觸鈣鈦礦層。 制備工藝相對復雜，成本較高。
近年來，倒置結構鈣鈦礦太陽能電池在穩定性方面表現出優勢，并逐漸成為該領域的研究熱點。
本研究使用設備
QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
Sargent 教授團隊的突破性研究
Sargent 教授團隊的研究成果發表在國際頂尖期刊《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定性問題。
傳統的表面鈍化方法，通常采用有機分子或無機材料，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 教授團隊則利用機器學習算法，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定性。
雙分子鈍化策略
Sargent 教授團隊的研究重點是解決倒置結構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鈍化，可以排斥少數載流子，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，光致發光量子效率損失降低了三分之一。
光焱科技產品助攻研究突破
Sargent 教授團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，這兩款設備在鈣鈦礦太陽能電池的性能測試和評估中發揮了至關重要的作用。
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境，確保測試結果的準確性和可靠性。該設備模擬光譜的精度和穩定性，對於準確評估鈣鈦礦太陽能電池的性能至關重要。
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換過程，優化器件結構和材料選擇。該設備能夠提供關于器件在不同波長下光電轉換效率的信息，幫助研究人員深入了解材料的光電特性，並優化器件設計，提高能量轉換效率。高效率、高穩定性的突破性成果
突破性的成果
Sargent 教授團隊的努力最終獲得了豐碩的成果，其研發的倒置鈣鈦礦太陽能電池，在 NREL 認證的穩態測試中，效率達到了 24.04%，並在實驗室測試中取得了 26.15% 的能量轉換效率。 此外，在 65°C 的環境溫度下，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錄保持者是美國西北大學和多倫多大學的聯合團隊。主要PI 為 Edward H. Sargent（多倫多大學）和 Bin Chen（西北大學）。
未來展望
Sargent 教授團隊的突破性研究成果，為鈣鈦礦太陽能電池的實際應用開辟了新的道路。未來，研究人員將繼續探索更有效的缺陷管理和離子滲透阻擋策略，并結合先進的表征手段和模擬計算，進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性，推動該技術走向商業化應用。
本文參數圖:
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生電流的效率資訊，顯示了添加劑對器件 EQE 的影響。
*本數據採用光焱科技-QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統((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。
*本數據採用光焱科技-QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統((記載于SI文件中))*
原文出處: ACS Energy Lett. 2024, 9
推薦設備_
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