前言
隨著全球對可持續能源需求的日益增長，提高太陽能電池的效率和穩定性成為當前科研領域的重要課題。Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池因其潛在的高效率和低成本制造而備受關注。然而，這些器件的性能往往受到材料結晶質量和界面特性的限制。
中科院黃維院士與西北工業冉晨鑫團隊在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202404185）中，提出了一種全新的分子錨定策略，旨在提升Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的性能。研究團隊開發了L-丙氨酸甲酯作為錨定添加劑，用以誘導垂直晶體生長，并介紹了PEA2PbI3SCN薄膜在促進埋藏界面均勻結晶中的作用。此外，乙二胺二鹵化物（EDA(I/Cl)2）的后處理有助于調整薄膜表面的能級對齊。這些創新的方法共同作用下，使得Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率（PCE）達到了22.3%，填充因子（FF）高達82.14%。在串聯器件中，結合1.78 eV寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池，實現了27.1%的PCE。
導讀目錄
前言
研究目的
研究方法
器件與表征
結論
研究目的
引導晶體垂直生長，優化載流子傳輸：利用分子錨定劑引導晶體垂直生長，促進結晶均勻性，減少缺陷，優化載流子傳輸和收集。
構建高質量埋藏界面，改善界面接觸：構建高質量的埋藏界面，促進界面處晶體均勻結晶，減少缺陷密度，改善界面接觸。
調整薄膜表面能級排列，提升電荷提取效率：通過后處理調整薄膜表面能級排列，進一步提升電荷提取效率，降低界面電荷復合。
探究分子錨定策略對電池穩定性和壽命的影響
研究方法
材料制備：研究團隊首先制備了各種前驅體溶液，包括Pb-Sn鈣鈦礦、PEA2PbI3SCN和EDA(I/Cl)2等，并詳細記錄了制備過程。
薄膜沉積：團隊使用旋涂法沉積鈣鈦礦薄膜，并通過熱退火和使用抗溶劑來控制結晶過程。
圖S19：基于三種不同薄膜的太陽能電池的PCE（能量轉換效率）、FF（填充因子）、Voc（開路電壓）和Jsc（短路電流密度）的分布統計，表明薄膜C的器件性能最佳。
器件制造：研究人員制作了完整的太陽能電池器件，包括ITO玻璃、PEDOT、鈣鈦礦活性層、PCBM、BCP和Ag電極等。
器件與表征
材料和器件表征：研究團隊使用了多種表征技術來分析鈣鈦礦薄膜和器件的特性，包括：
動態光散射（DLS）：用來測量粒徑分布。
傅里葉變換紅外光譜（FTIR）：分析化學組成和鍵合情況。
掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）：觀察薄膜的表面形貌和結構。
X射線衍射（XRD）和掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）：分析薄膜的晶體結構和取向。
紫外-可見光譜（UV-Vis）：測量薄膜的光學性質。
光致發光譜（PL）和時間分辨光致發光譜（TRPL）：研究薄膜的發光特性和載流子動力學。
紫外光電子能譜（UPS）：分析薄膜的能級結構。
飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）：研究薄膜的元素分布。
器件性能測試：團隊在N2氣氛中使用Keithley 2400源表和太陽光模擬器測試了太陽能電池的性能，包括I-V特性和最大功率點追蹤。
電化學阻抗譜（EIS）和外量子效率（EQE）測量：
電流-電壓（J-V）特性測量： 使用 Enlitech 太陽光模擬器模擬太陽光照，測量太陽能電池的 J-V 特性曲線，計算開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）和能量轉換效率（η）等關鍵性能參數。
外部量子效率（EQE）測量： 使用量子效率測量系統或 Enlitech QTEST HIFINITY 5 外部量子效率測量系統，評估太陽能電池在不同波長下的光電轉換效率。
圖S21：在有無AME兩種不同條件下，基于薄膜C的太陽能電池的PCE、FF、Voc和Jsc的分布統計。結果顯示，不含AME的器件性能遠低于含有AME的器件，證明了AME和PEA2PbI3SCN薄膜的協同作用對于調控結晶過程和提高器件性能至關重要。
圖S22：不同I/Cl比例的EDA(I/Cl)2處理后的太陽能電池的PCE、FF、Voc和Jsc的分布統計結果。通過比較器件性能，研究人員發現I和Cl的最佳比例為1.2:1，此時器件性能最佳。
電致發光（EL）測量： 使用電致發光測量系統分析太陽能電池中的電荷復合和缺陷分布。
穩定性測試：在N2氣氛中進行，以評估太陽能電池的長期穩定性。
結論
這項研究成功展示了利用分子錨定策略構建具有垂直均勻結晶和優化界面的 Pb-Sn 鈣鈦礦薄膜，有效提升了太陽能電池的性能。通過使用 L-丙氨酸甲酯、PEA2PbI3SCN 薄膜和乙二胺二鹵化物后處理，制備出的 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池達到了 22.3% 的高功率轉換效率和 82.14% 的填充因子，并在四端全鈣鈦礦串聯器件中實現了 27.1% 的功率轉換效率。這項研究證實了分子錨定策略在提升 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池及其串聯器件性能方面的有效性，為未來高效率鈣鈦礦太陽能電池的發展提供了新的方向。
研究結果顯示：
分子錨定策略成功促進了 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池的垂直均勻結晶和界面排列。
該策略有效提升了太陽能電池的開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）和能量轉換效率（η）等性能參數。
圖S27：控制組器件和目標器件在原始狀態和T80條件下的功率轉換效率（PCE）穩定性。結果顯示，控制組器件的PCE隨時間推移迅速下降，而目標器件的PCE則保持了較高的穩定性。這表明目標器件的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）更加穩定，這可能是由于分子錨定策略改善了鈣鈦礦薄膜的質量和界面特性，從而降低了電荷復合并提高了電荷傳輸效率。
與其他文獻中的 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池相比，本研究的性能提升顯著。
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文獻參考自Advanced Materials_DOI：10.1002/adma.202404185
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