引言

在探尋高效率太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)的道路上，全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池由于其突破單結(jié)晶太陽能電池效率限制的潛力而備受矚目。然而，其效率提升卻受限于錫-鉛混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷所引發(fā)的非輻射復(fù)合損失。

華中科技大學(xué)劉宗豪和陳煒于《Nature Communications》(26 Aug.DOI 10.1038/ s41467-024-51703-0)提出了一種創(chuàng)新的表面重建策略，透過使用1,4-丁二胺作為化學(xué)拋光劑和乙二胺二碘化物作為表面鈍化劑，有效消除了與錫相關(guān)的缺陷，并對抗有機(jī)陽離子和鹵化物空位的缺陷。這一策略不僅提升了錫-鉛混合鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，還在鈣鈦礦/電子傳輸層界面處最小化了非輻射能量損失。結(jié)果顯示，經(jīng)此改良的錫-鉛混合鈣鈦礦太陽能電池達(dá)到了22.65%和23.32%的能量轉(zhuǎn)換效率，而全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的認(rèn)證能量轉(zhuǎn)換效率更是一舉達(dá)到了28.49%。

導(dǎo)讀目錄

1.    引言

2.    研究目的

3.    研究方法

4.    器件與表征

5.    結(jié)論

研究目的

1. 開發(fā)一種表面重建策略，以消除Sn–Pb混合鈣鈦礦薄膜中的Sn相關(guān)缺陷，并鈍化有機(jī)陽離子和鹵化物空位缺陷。

2. 利用化學(xué)拋光劑BDA（1,4-丁二胺）和表面鈍化劑EDAI2（乙二胺二碘化物）來提高鈣鈦礦薄膜的表面質(zhì)量。

3. 減少非輻射能量損失，特別是在鈣鈦礦/電子傳輸層界面處。

4. 提升Sn–Pb混合鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率

5. 實現(xiàn)兩結(jié)全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的高認(rèn)證能量轉(zhuǎn)換效率

6. 通過長時間的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）測試，證明經(jīng)過表面改造的太陽能電池具有良好的穩(wěn)定性和耐用性。

研究方法

研究團(tuán)隊的研究重點(diǎn)是提升全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池（TSCs）的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE），特別是通過減少Sn–Pb混合鈣鈦礦薄膜表面的非輻射性載流子復(fù)合損失來實現(xiàn)這一目標(biāo)。他們進(jìn)行了一項表面重建策略，使用化學(xué)拋光劑1,4-丁二胺（BDA）和表面鈍化劑乙基二胺二碘化物（EDAI2）來消除Sn相關(guān)的缺陷并鈍化有機(jī)陽離子和鹵化物空位缺陷。

研究團(tuán)隊進(jìn)行的具體步驟包括：

1. 使用不同濃度的BDA/IPA溶液處理鈣鈦礦表面，以鈍化表面并獲得致密形態(tài)。
        

2. 通過形態(tài)分析來觀察處理后的鈣鈦礦表面變化。

3. 使用密度泛函理論（DFT）計算來模擬BDA與Sn-rich表面的相互作用。
        

4. 進(jìn)行電子定位函數(shù)（ELF）分析來可視化BDA如何通過Sn-N鍵合來鈍化缺陷。

5. 使用光致衰減譜（TAS）方法來測量控制和BDA-EDAI2改性PSC的非輻射復(fù)合。

6. 通過殘余應(yīng)力分析來計算鈣鈦礦表面薄膜上的殘余應(yīng)力。

器件與表征

材料表征

• X射線繞射（XRD）分析： 使用X射線繞射儀進(jìn)行，以研究晶體結(jié)構(gòu)。

• 掠入射X射線繞射（GIXRD）： 使用X射線繞射儀進(jìn)行，以研究材料的殘留應(yīng)力和組成均勻性。

• 紫外光電子能譜（UPS）測量： 使用紫外光電子能譜儀進(jìn)行，搭配He放電燈（hv = 21.22 eV）作為激發(fā)源。

• 電子定位函數(shù)（ELF）分析： 通過在(010)鈣鈦礦晶格平面上的ELF圖來展示化學(xué)鍵的強(qiáng)度和位置。

器件表征

• 光致衰減譜（TAS）： 用于測量控制和BDA-EDAI2改性PSC的非輻射復(fù)合。

• 光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）測量： 使用熒光光譜儀進(jìn)行。

• 電致發(fā)光量子效率（EQEEL）測量： 使用電致發(fā)光量子效率測量儀（Enlitech）進(jìn)行。研究團(tuán)隊使用Enlitech的產(chǎn)品ELCT-3010（現(xiàn)REPS鈣鈦礦光伏Voc損耗分析系統(tǒng)）來進(jìn)行電致發(fā)光量子效率（EQEEL）測量。這種測量是為了評估電致發(fā)光材料和器件的發(fā)光效率。

  
       
       
       圖3說明：
       a. PCE：顯示不同處理下的PCE分布，經(jīng)過BDA和EDAI?處理的樣品PCE提升顯著。b. J-V曲線：展示了在主動區(qū)域為0.0871 cm2的器件在不同處理下的電流密度-電壓特性。BDA和EDAI?處理后的樣品顯示出更好的電性能。c. EQE（外量子效率）圖：顯示不同波長下的EQE值。BDA-EDAI?處理后的樣品在大多數(shù)波長下的EQE略高。d. 光強(qiáng)度依賴的開路電壓（V_OC）：顯示在不同光強(qiáng)度下的V_OC。經(jīng)過BDA-EDAI?處理的樣品在低光強(qiáng)下顯示出更高的V_OC。e. EQEEL（電致發(fā)光量子效率）圖：顯示在不同電流密度下的EQEEL。BDA-EDAI?處理后的樣品顯示出更高的EQEEL，表明電性能和發(fā)光性能的提升。f. 電壓損失機(jī)制圖：展示了控制組和BDA-EDAI?處理后樣品的電壓損失途徑。處理后的樣品顯示出更小的電壓損失，表明界面和鈣鈦礦層的改善。

圖片4c說明：
經(jīng)過BDA-EDAI2修飾的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的電流密度-電壓特性。圖中顯示了在正向和反向掃描下的性能數(shù)據(jù)，并且報告了這些器件在不同掃描方向下的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），分別為28.80%（反向掃描）和28.76%（正向掃描）。這些數(shù)據(jù)表明，BDA-EDAI2修飾顯著提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率，是研究中重要的性能指針。

在進(jìn)行測量時，研究團(tuán)隊會將樣品放置在ELCT-3010儀器中，該儀器能夠提供必要的電壓和電流來激發(fā)樣品發(fā)光，并精確地測量發(fā)光的強(qiáng)度。通過這種方式，研究人員可以計算出EQEEL值，從而了解器件將電能轉(zhuǎn)化為光能的效率。Enlitech的ELCT-3010產(chǎn)品專門設(shè)計用于這種應(yīng)用，能夠提供準(zhǔn)確和可靠的測量結(jié)果。

光焱科技Enlitech REPS實際裝機(jī)示意照

• J-V曲線測量： 用來評估太陽能電池的性能參數(shù)，如開路電壓（VOC）、短路電流密度（JSC）、填充因子（FF）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
       
       圖4b說明：
       太陽能電池參數(shù)統(tǒng)計：比較了控制組和經(jīng)過BDA-EDAI?處理后的串聯(lián)器件的開路電壓（V_OC）、短路電流密度（J_SC）、填充因子（FF）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。處理后的樣品在所有指標(biāo)上均有提升。
       
       

外部量子效率（EQE）： 用來評估太陽能電池對不同波長光的轉(zhuǎn)換效率。

圖片4d：
EQE光譜：顯示WBG和NBG子電池的EQE光譜，計算出J_SC分別為15.70 mA/cm2和15.32 mA/cm2。缺陷密度狀態(tài)（tDOS）分析： 用來分析控制和BDA-EDAI2改性PSC的缺陷能級分布。

• 存儲時間下的性能穩(wěn)定性測試： 包括在不同條件下的封裝設(shè)備和最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）下的設(shè)備性能。

結(jié)論

研究團(tuán)隊在這項研究中成功地展示了一種創(chuàng)新的表面重建策略，通過使用1,4-丁二胺（BDA）作為化學(xué)拋光劑，結(jié)合乙二胺二碘化物（EDAI2）作為表面鈍化劑，顯著提升了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的效率。我們的策略有效地消除了錫鉛混合鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷，并抑制了界面非輻射復(fù)合損失，從而實現(xiàn)了接近理想的功率轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過BDA-EDAI2修飾的器件不僅在小面積測試中達(dá)到了28.49%的認(rèn)證效率，還在長時間的穩(wěn)定性測試中保持了優(yōu)異的性能。這一突破性進(jìn)展不僅為提高鈣鈦礦太陽能電池的效率提供了新的思路，也為未來的光伏技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。我們相信，這一研究將激發(fā)更多關(guān)于表面工程和材料優(yōu)化的探索，推動可再生能源技術(shù)的進(jìn)一步革新。

文獻(xiàn)參考自Nature Communications 26 Aug._DOI：10.1038/ s41467-024-51703-0

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