鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池的發(fā)展不僅推動了光伏技術(shù)的進步， 也為可再生能源的普及和應用帶來了新的希望。 未來， 隨著技術(shù)的進一步突破和商業(yè)化進程的加快， 鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池有望在全球能源市場中占據(jù)重要地位。

近年來， 鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 因其高效、 低成本和易于制備等優(yōu)勢， 成為最有希望替代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的下一代光伏技術(shù)之一。 其中， 寬帶隙鈣鈦礦 (WBG-PSC) 因其與有機太陽能電池匹配性高， 可以實現(xiàn)疊層結(jié)構(gòu)， 大幅度提升光電轉(zhuǎn)換效率。 然而， WBG-PSC 的穩(wěn)定性一直是阻礙其發(fā)展的重要問題。

鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池的發(fā)展歷程經(jīng)歷了幾個關鍵階段，以下是其主要的發(fā)展歷程：

• 初期研究階段（2009-2013年）:

• 2009年，鈣鈦礦材料被引入太陽能電池中。這一時期的研究主要集中在探索鈣鈦礦材料的光電特性以及其在太陽能電池中的應用潛力。

• 2012年，研究人員成功制備了穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池，效率約為9.7%。

• 效率提升階段（2014-2016年）:

• 這一時期，鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率迅速提升。研究人員通過優(yōu)化材料合成工藝、改進電池結(jié)構(gòu)設計等方法，使得電池效率突破20%。

• 有機太陽能電池的研究也在同步進行，重點在于提高其穩(wěn)定性和效率。

• 疊層結(jié)構(gòu)發(fā)展階段（2016-2019年）:

• 鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池開始受到廣泛關注。疊層結(jié)構(gòu)的設計旨在結(jié)合鈣鈦礦和有機材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

• 研究人員通過創(chuàng)新性的電池結(jié)構(gòu)設計和接口工程技術(shù)，進一步提升了電池的效率和穩(wěn)定性。

• 商業(yè)化探索階段（2019年至今）:

• 隨著技術(shù)的不斷成熟，鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池逐漸進入商業(yè)化應用探索階段。

• 研究重點轉(zhuǎn)向大面積電池的制備、生產(chǎn)工藝的優(yōu)化以及長期穩(wěn)定性的提升。

• 一些公司和研究機構(gòu)開始進行試生產(chǎn)和應用測試，以推動這一新型太陽能電池的市場化進程。

由于碘離子在光照作用下的耗損， 會導致鹵化物相分離， 影響鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和電池的效率。 因此， 如何穩(wěn)定寬帶隙鈣鈦礦， 防止碘離子耗損， 是目前研究的重點之一。

近期， 新加坡國立大學侯毅教授和美國華盛頓大學 David S. Ginger 教授的團隊在Joule 雜志發(fā)表了重要的研究成果。 他們利用一種新型的鈍化分子 2-氨基-4,5-咪唑二腈 (AIDCN) ， 成功地抑制了寬帶隙鈣鈦礦中碘離子的耗損， 解決了材料相分離問題， 并提升了器件的穩(wěn)定性。

【提升器件性能:鎖住碘離子， 穩(wěn)定寬帶隙鈣鈦礦】

該團隊研究發(fā)現(xiàn)， 2-氨基-4,5-咪唑二腈 (AIDCN) 擁有高度極化的電荷分布和緊湊的分子構(gòu)型， 可以與碘離子（I?） 發(fā)生相互作用， 從而抑制光照誘導的碘離子耗損和相分離現(xiàn)象。

l  防止相分離: 利用高光譜光致發(fā)光顯微鏡分析， 研究人員發(fā)現(xiàn) AIDCN 能有效減緩光照下鈣鈦礦材料的相分離， 進而提升了鈣鈦礦材料的光電穩(wěn)定性。

l  抑制碘離子耗損: 原位掠入射廣角X射線散射 (GIWAXS) 和 X射線熒光測量結(jié)果表明， AIDCN 的引入， 可以顯著減緩鈣鈦礦晶格的收縮， 同時有效維持材料整體的化學組成。 這證實了 AIDCN 的應用有效地抑制了碘離子的耗損。

【實現(xiàn)疊層效率新突破： 開創(chuàng)鈣鈦礦太陽能電池應用的新篇章】

應用 AIDCN 的鈍化策略， 研究團隊成功地制備出 1.86 eV 寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池， 并獲得了高達 18.52% 的光電轉(zhuǎn)換效率。 更重要的是， 他們將這種高性能的寬帶隙鈣鈦礦子電池與 PM6:BTP-eC9 有機子電池相結(jié)合， 構(gòu)建了高效的鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池， 最終實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的 25.13% 的光電轉(zhuǎn)換效率， 經(jīng)過認證后的穩(wěn)定效率為 23.40% 。

該團隊研究成果充分展現(xiàn)了通過分子工程策略， 針對性地解決鈣鈦礦太陽能電池材料穩(wěn)定性問題的重要性。 這一研究將有力地推動更高效、 更穩(wěn)定、 更廉價的鈣鈦礦-有機迭層太陽能電池技術(shù)的應用， 為未來發(fā)展更高效的光伏技術(shù)奠定了堅實的基礎。

該研究通過引入 AIDCN 鈍化策略， 成功解決了鈣鈦礦太陽能電池中普遍存在的碘離子耗損和相分離問題， 為構(gòu)建更高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池提供了有效的解決方案。

重要技術(shù)參數(shù)：

鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池效率: 25.13% (認證效率：23.40%)

關鍵技術(shù)： AIDCN 鈍化策略

新加坡國立大學_侯毅教授

現(xiàn)任新加坡國立大學化學與生物分子工程系教授和新加坡國立大學太陽能研究機構(gòu)（SERIS）主任， 是能源材料和太陽能電池的專家。 他在光伏技術(shù)和能源材料方面做出了突出貢獻， 并在國際頂級期刊發(fā)表了200多篇高水平學術(shù)論文， 多次獲得國家和國際重要獎項和榮譽。 他的研究團隊也一直致力于鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的發(fā)展。

課題組主要研究方向

i.      材料創(chuàng)新：

·         開發(fā)新型寬帶隙鈣鈦礦吸收體、先進界面材料和柔性電極。

·         探索自組裝單層、二維材料和金屬氧化物，提高光電轉(zhuǎn)換效率和器件穩(wěn)定性。

ii.      創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和組裝技術(shù)：

·         研究新方法操控、加工和組裝材料，揭示新的光學和電學特性。

·         建立經(jīng)濟高效、高重復性和快速的加工方法，滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求。

iii.      先進的疊層太陽能電池：

·         綜合研究開發(fā)可靠、高效、經(jīng)濟的鈣鈦礦疊層太陽能電池。

·         優(yōu)化串聯(lián)結(jié)構(gòu)、復合結(jié)、電接觸、透明導電氧化物、鈍化劑和封裝方法，提升太陽能轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

參考文獻

Stabilizing efficient wide-bandgap perovskite in perovskite-organic tandem solar cells _ Joule, July 08, 2024 _ DOI:10.1016/j.joule.2024.06.009

【本研究參數(shù)圖】

1. 設計的極化結(jié)構(gòu)：左上角展示了一個分子的極化結(jié)構(gòu)圖，表明通過設計分子的極化結(jié)構(gòu)來優(yōu)化材料性能。

2. 抑制碘耗損：中間部分展示了兩種不同情況下的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)圖。左側(cè)是對照組，顯示碘（I?）耗損的情況；右側(cè)是使用AIDCN處理后的結(jié)構(gòu)，顯示碘耗損被抑制。

3. 高性能的疊層太陽能電池：右上角的圖表展示了該研究工作的太陽能電池性能數(shù)據(jù)，與其他已報導的鈣鈦礦/有機光伏疊層 太陽能電池的性能進行對比，顯示出該研究工作的電池具有更高的效率（25% PCE）。

總結(jié)：通過設計極化結(jié)構(gòu)和使用AIDCN處理，研究人員成功抑制了碘的逃逸，從而提高了鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能。

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·         輸出光譜由 300-1700nm 均可符合 1.5G 光譜要求其平均光譜失配 ≤ 6% (IEC 60904-9：2020) 。

·         僅采用單氙燈，因此無雙光源兩燈泡壽命不匹配，以及一般鹵燈僅 50 小時壽命之問題。

·         具有A++光譜等級，其氙燈壽命可超過1,000小時，克服了雙光源鹵素燈燈泡壽命不到50小時之缺點。

·         大幅縮減光源調(diào)校時間，并增加系統(tǒng)測試結(jié)果的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性。

·         單燈源的設計，相較多燈珠 LED 型的模擬器有更好的 SPC 光譜覆蓋率與更低的 SPD 光譜偏差率，可提供更為準確的疊層太陽能電池測試結(jié)果。

文獻參考自 Joule, July 08, 2024 _ DOI:10.1016/j.joule.2024.06.009  

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