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光伏技術的新發(fā)表：無定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能

1.  研究方法與表征設備分析

2. 非晶態(tài)(lysine)2Pbl2層展現(xiàn)高光電轉換效率成果

光伏技術的新發(fā)表 ：無定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能

近日，由中科院院士楊德仁團隊、浙江大學王勇 及蘇州大學寧為華 共同發(fā)表于Nature Communications  2024年第15期一突破性研究為高效鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展開辟了新路徑。研究人員成功開發(fā)出一種新型無定形(賴氨酸)2PbI2鈍化層，通過固相反應在鈣鈦礦薄膜表面和晶界處形成。這種無定形結構具有更少的懸掛鍵，能有效中和表面/界面缺陷，顯著提高了電池效率。

與傳統(tǒng)的晶態(tài)鈍化材料相比，這種新型無定形層不僅降低了晶格應力，還作為屏障阻止有機成分的分解，抑制了鈣鈦礦的結構破壞，大幅提升了太陽能電池的穩(wěn)定性。研究團隊報告稱，采用這種技術的鈣鈦礦太陽能電池效率高達26.27%（經認證為25.94%）。

圖 3 .光伏和器件特性

(a) PbI?-FACsMA和amo-FACsMA器件的J-V曲線，電池有效面積為0.09 cm2。

• JscJsc：25.83（PbI?-FACsMA），25.84（amo-FACsMA）

• VocVoc：1.104（PbI?-FACsMA），1.184（amo-FACsMA）

• FF：0.831（PbI?-FACsMA），0.858（amo-FACsMA）

• PCE：23.72%（PbI?-FACsMA），26.27%（amo-FACsMA）

• FF：0.739（FACsMA），0.806（amo-FACsMA）

• PCE：21.38%（FACsMA），24.93%（amo-FACsMA）

研究方法與表征設備分析

研究團隊在研究過程中，透過階段式的研究手法逐一量測并驗證該研究理論的可行性

1.    材料合成與制備：研究團隊合成了含賴氨酸的鈣鈦礦薄膜，通過固態(tài)擴散和反應過程，制備了不同賴氨酸擴散時間的薄膜樣品。

2.    薄膜沉積：使用旋涂或蒸鍍等方法將制備的鈣鈦礦材料沉積到基底上，形成薄膜。

3.    太陽能電池裝置制作：將制備的鈣鈦礦薄膜整合到太陽能電池裝置中，包括添加其他必要的層，如電極、傳輸層等。

4.    穩(wěn)定性測試：對制備的太陽能電池裝置進行穩(wěn)定性測試，評估其在不同條件下的性能變化。

5.    效能測量：使用標準的測試條件（如AM1.5G光譜、25°C）來測量太陽能電池的效能參數(shù)，如轉換效率、短路電流、開路電壓等。

6.    操作條件下的性能評估：可能進行了最大功率點（MPP）追蹤測試，以評估太陽能電池在實際操作條件下的性能。

要得到器件的優(yōu)化進程，各項的表征設備，使得量測過程中得到更穩(wěn)定的論證外，更幫助研究團隊有效地了解器件提升的狀態(tài)及進一步優(yōu)化的可能性。
常見的表征設備如: 紫外可見光譜儀（UV-vis）：可用于分析材料的光吸收特性; X射線繞射儀（XRD）分析材料的晶體結構，并確定材料的晶相和晶格參數(shù); 掃描電子顯微鏡（SEM）可觀察材料的表面和截面形態(tài)，提供微觀結構的影像; X射線光電子能譜儀（XPS）可確定元素的化學結合環(huán)境。另外，傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）通過紅外吸收光譜來識別材料中的化學組分; X射線吸收光譜儀（XAS），包括X射線吸收近邊結構（XANES）和擴散X射線吸收精細結構（EXAFS）; 時間解析光致發(fā)光系統(tǒng)（TRPL）：可測量材料的載流子壽命，研究激子動態(tài)和材料的缺陷密度; 電容頻率分析儀則應用于評估太陽能電池裝置中的陷阱狀態(tài)和載流子動態(tài)。

其中，太陽光模擬器和電流-電壓（J-V）測量系統(tǒng)在太陽能電池的表征量測中極其重要原因如下：

1.    性能評估：J-V測量是評估太陽能電池性能最直接的方法。通過J-V曲線，可以獲得關鍵的電池參數(shù)，如開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）和光電轉換效率（η），上述參數(shù)綜合反映了太陽能電池的整體性能。

2.    標準化測試：太陽能仿真器提供標準化的光照條件（如AM1.5G光譜、1000 W/m2的輻射強度），確保測量結果的可比性和重復性。這對于比較不同材料、結構或制程的太陽能電池性能至關重要。

3.    缺陷識別：J-V曲線的特征，如S形曲線、低填充因子或低短路電流，可以指示太陽能電池可能存在的缺陷，如電荷復合、電流泄漏或系列電阻過大。

4.    穩(wěn)定性分析：通過連續(xù)的J-V測量，可以監(jiān)測太陽能電池在不同環(huán)境條件下的長期穩(wěn)定性，了解其性能衰退的速率和機制。

5.    優(yōu)化與改進：J-V測量結果可用于指導太陽能電池的進一步優(yōu)化和改進，幫助研究人員識別性能瓶頸并尋找解決方案。

6.    認證與商業(yè)化：對于商業(yè)化產品，J-V測量是產品認證和質量控制的重要步驟。通過J-V測量獲得的數(shù)據(jù)可用于產品卷標和市場推廣

本研究采用光焱科技-SS-X系列 AM1.5G 3A+級太陽光模擬器 搭配IVS-6000的量測軟件，及QE-R量子效率解決方案，使表征的參數(shù)可透過軟件經簡單導入后，進行交叉分析，作為表征過程中輕松且具有效率的量測模式。

光焱科技作為創(chuàng)新科技，致力于提供精準表征解決方案，采用先進的表征技術及具有效率的量測程序，助力研究團隊獲得高質量且精準實驗數(shù)據(jù)。進一步協(xié)助國內研究團隊在國際學術舞臺上展現(xiàn)優(yōu)秀成果，提升學術影響力。
在快速發(fā)展的光伏領域中，提供關鍵參數(shù)和優(yōu)化方案，推動研究器件性能提升。透過持續(xù)的技術創(chuàng)新和支持，促進再生能源產業(yè)的穩(wěn)定成長?，F(xiàn)階段也連接學術研究與產業(yè)應用，推動科研成果轉化，促進光伏產業(yè)商業(yè)化的進步。

非晶態(tài)(lysine)2Pbl2層展現(xiàn)高光電轉換效率成果

研究成員通過多種實驗方法證實了無定形（賴氨酸）2PbI2層增強了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率及穩(wěn)定性：

1.    效率提升：研究人員通過測量太陽能電池的電流密度-電壓（J-V）特性和量子效率（EQE），證明了無定形（賴氨酸）2PbI2層導致的光電轉換效率提升。與參考設備相比，采用無定形（賴氨酸）2PbI2層的設備展示了更高的功率轉換效率（PCE），達到了26.27%，并且具有更好的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）。

2.    缺陷密度降低：研究人員觀察到無定形（賴氨酸）2PbI2層降低了非輻射復合，這與缺陷密度的降低相對應。此外，無定形（賴氨酸）2PbI2層降低了陷阱能量深度和缺陷密度，這對提高電池效率至關重要。

3.    穩(wěn)定性增強：研究人員通過長時間的儲存壽命和操作穩(wěn)定性測試，證明了無定形（賴氨酸）2PbI2層對鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的正面影響。在連續(xù)照明和/或加熱2000小時后，無定形（賴氨酸）2PbI2層抑制了鈣鈦礦的解構，而參考設備則出現(xiàn)了PbI2雜質峰，表明其穩(wěn)定性較差。

4.    抑制有機組分分解：無定形（賴氨酸）2PbI2層作為屏障，防止了有機組分的分解，這有助于維持鈣鈦礦結構的完整性，進一步提高了太陽能電池的穩(wěn)定性。

5.    結構和組成分析：無定形（賴氨酸）2PbI2層的結構和組成信息，證實了其作為有效鈍化層的特性。

綜合上述實驗結果，研究證實了無定形（賴氨酸）2PbI2層在增強鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性方面的有效性。

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文獻參考自Nature Communications.2024_ DOI: 10.1038/s41467-024-51551-y

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