近日，國際頂級學術期刊《Nature》在線發(fā)表了一項關于鈣鈦礦太陽電池的重要研究成果。美國西北大學博士后研究員劉成、楊熠、陳昊、Ioannis Spanopoulos、Abdulaziz S. R. Bati為共同第一作者。美國西北大學鄭丁、Tobin J. Marks、Antonio Facchetti、Edward H. Sargent、Mercouri G.Kanatzidis為共同通訊作者等教授領導的研究團隊，在提高鈣鈦礦太陽電池穩(wěn)定性和效率方面取得了顯著進展。該研究題為"Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells"，由博士后研究員劉成、楊熠、陳昊、IoannisSpanopoulos和Abdulaziz S. R. Bati等人共同完成。

研究背景

近年來，鈣鈦礦太陽電池因其高效率和低成本的特點，在光伏領域引起了廣泛關注。單結小面積（<1 cm2）器件的光電轉(zhuǎn)換效率已突破26%，這主要歸功于界面鈍化技術的改進，特別是使用有機銨鹽或二維（2D）鈣鈦礦作為表面鈍化層。然而，這些鈍化層中的活性陽離子在熱驅(qū)動下容易破壞鈣鈦礦結構中脆弱的角共享八面體連接，并在2D和三維（3D）鈣鈦礦層之間遷移，嚴重制約了器件效率和穩(wěn)定性的進一步提升。

創(chuàng)新方法

針對鈣鈦礦器件中界面離子遷移的問題，研究團隊提出了一種創(chuàng)新的解決方案：利用2D"類鈣鈦礦"進行界面鈍化。這種類鈣鈦礦材料同時具有角、邊、面共享的特殊結構，能有效阻止界面離子遷移。研究人員通過合成一系列類鈣鈦礦材料，并調(diào)節(jié)它們在鈣鈦礦薄膜表面的維度和取向，實現(xiàn)了載流子在異質(zhì)結構內(nèi)部的高效傳輸。

主要發(fā)現(xiàn)

• 材料設計與合成：研究團隊設計并合成了多種類鈣鈦礦材料，包括：

1. N-氨基己基-鄰苯二甲酰亞胺鹽酸鹽 (A6PI)

2. N-氨基己基-苯[f]-鄰苯二甲酰亞胺鹽酸鹽 (A6BfPI)

3. N-氨基己基-苯[e]-鄰苯二甲酰亞胺鹽酸鹽 (A6BePI)

4. N-氨基己基-萘二甲酰亞胺鹽酸鹽 (A6NI)

這些材料分別形成了(A6P)PbI3、(A6BfP)PbI3、(A6BeP)PbI3和(A6N)PbI3等結構。特別值得注意的是，(A6BfP)8Sn7I22形成了一種2D結構，具有混合的角、邊、面共享連接，這種結構對于提高器件穩(wěn)定性起到了關鍵作用。

• 異質(zhì)結構構建：通過X射線衍射（XRD）和掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等技術，研究人員成功構建并表征了類鈣鈦礦材料/鈣鈦礦異質(zhì)結構。XRD分析顯示，2D (A6BfP)8Pb7I22能夠在3D鈣鈦礦表面形成高度取向的薄膜，這對于實現(xiàn)高效的載流子傳輸至關重要。GIWAXS結果進一步證實了這種取向性，為理解界面結構提供了重要信息。

• 光電特性：研究發(fā)現(xiàn)，2D類鈣鈦礦/3D鈣鈦礦異質(zhì)結表現(xiàn)出優(yōu)異的光電特性。通過X射線光電子能譜（XPS）分析，發(fā)現(xiàn)2D (A6BfP)8Pb7I22能有效鈍化3D鈣鈦礦表面的缺陷，減少了非輻射復合。光致發(fā)光（PL）測試進一步證實了這一點，(A6BfP)8Pb7I22鈍化的樣品顯示出更強的PL強度和更長的載流子壽命，這直接反映了界面鈍化的有效性。

• 器件性能：基于"類鈣鈦礦/鈣鈦礦異質(zhì)結"的太陽電池（>1 cm2）展現(xiàn)出的性能，實現(xiàn)了24.6%的準穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率。這一成果代表了大面積鈣鈦礦太陽電池效率的重要進展。具體性能參數(shù)如下：

• 開路電壓（Voc）：1.135 V

• 短路電流密度（Jsc）：26.70 mA/cm2

• 填充因子（FF）：0.812

這些性能指標顯示了該研究團隊在提高鈣鈦礦太陽電池效率方面取得的進展，特別是在大面積器件上實現(xiàn)如此高的效率，對于推動鈣鈦礦太陽能電池的實際應用具有重要意義。

• 穩(wěn)定性：在85℃、空氣環(huán)境下，該器件展現(xiàn)出長達1250小時的穩(wěn)定運行能力，這是鈣鈦礦太陽能電池領域的一個重要進展。研究團隊通過時間依賴的XRD和飛行時間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）分析，證實了2D (A6BfP)8Pb7I22在高溫高濕條件下的優(yōu)異穩(wěn)定性，以及其抑制離子遷移的能力。這種長期穩(wěn)定性的提升對于鈣鈦礦太陽能電池的潛在商業(yè)化應用具有重要意義。

Supplementary Fig. 1 | (A6P)PbI₃ single crystal. a. Crystal structure of (A6P)PbI₃ with the CCDC number of 2362695. b. Powder XRD of (A6P)PbI₃.

Supplementary Fig. 8 | The crystal structure of (A6BfP)₈Sn₇I₂₂ and (A6BfP)₈Pb₇I₂₂ films. XRD of (A6BfP)₈Sn₇I₂₂ single crystal and (A6BfP)₈Sn₇I₂₂ and (A6BfP)₈Pb₇I₂₂ perovskite films.

Supplementary Fig. 10 | Perovskitoid/perovskite heterostructure. Cross-sectional HRTEM, corresponding FFT and filtered HRTEM image of the (A6BfP)₈Pb₇I₂₂/perovskite film.

Supplementary Fig. 12 | Carrier lifetime. TRPL of 3D perovskite films passivated by non-2D ligand o-PDEAI₂, 2D (PEA)₂PbI₄, and 2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂ perovskite films, the carrier lifetimes are summarized in Supplementary Table 9.

研究意義

這項研究不僅在理論上闡明了類鈣鈦礦材料穩(wěn)定鈣鈦礦太陽電池的機理，還在實踐中證明了其在提高器件效率和穩(wěn)定性方面的潛力。特別是，2D (A6BfP)8Pb7I22的結構為設計高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽電池提供了新的思路。這一成果為鈣鈦礦光電器件的進一步研究和潛在的大規(guī)模應用提供了有價值的參考。  

研究團隊與設備

值得一提的是，Edward H. Sargent研究團隊是信賴光焱科技Enlitech的長期合作客戶，並且團隊中採購了光焱科技Enlitech 的QE-R光伏/太陽能電池量子效率測量解決方案和SS-X100 A+級光譜AM1.5G標準光譜太陽光模擬器等專業(yè)檢測設備。該團隊在進行許多高精度測量和測試時，經(jīng)常采用了這些專業(yè)的研究設備為研究結果的精確性和可靠性提供了強有力的支持。這些先進設備的使用，為研究團隊獲得高質(zhì)量的實驗數(shù)據(jù)提供了重要保障，從而為研究成果的可靠性奠定了堅實基礎。

Supplementary Fig. 14 | Influence of isopropanol on film morphology and device performance. a. SEM images of the 3D perovskite film with and without isopropanol washing with scale bar of 1 μm, and b. their corresponding J-V curves.

Supplementary Fig. 18 | Stabilized efficiency. The steady-state output of the best-performance 2D perovskitoid-passivated PSC. The maximum power point of the device was tracked for 300 s under simulated one sun AM 1.5 G irradiation (100 mW cm^-2) at room temperature within a nitrogen glovebox.

結論

美國西北大學研究團隊在鈣鈦礦太陽電池領域取得了重要進展，特別是在提高大面積器件的效率和穩(wěn)定性方面。通過開發(fā)新型2D類鈣鈦礦材料(A6BfP)8Pb7I22，研究人員成功地改善了器件的界面特性，有效抑制了離子遷移問題。

這項研究的主要貢獻包括：

1. 在大面積（>1 cm2）鈣鈦礦太陽電池上實現(xiàn)了24.6%的準穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率，這是該領域的一個重要突破。

2. 在85℃、空氣環(huán)境下，器件展現(xiàn)出1250小時的穩(wěn)定運行能力，顯著提高了鈣鈦礦太陽電池的耐久性。

為解決鈣鈦礦太陽電池長期存在的穩(wěn)定性問題提供了新的思路和方法。

這些成果為鈣鈦礦太陽能電池的進一步發(fā)展和潛在的商業(yè)化應用奠定了基礎。然而，要將實驗室成果轉(zhuǎn)化為大規(guī)模商業(yè)應用，仍然需要解決許多挑戰(zhàn)，包括進一步提高效率、延長使用壽命、降低生產(chǎn)成本等。

隨著這類研究的不斷深入，鈣鈦礦太陽電池技術有望在未來的可再生能源領域發(fā)揮更大作用。這項研究為提高鈣鈦礦太陽能電池的性能提供了新的方向，為推動太陽能技術的進步做出了有意義的貢獻。

參考文獻 Efficient perovskite solar modules with an ultra-long processing window enabled by cooling stabilized intermediate phases _Nature, 2024,_DOI:10.1039/D4EE01147C

解決方案推薦

PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)_QE-R

文獻參考自 Nature, 2024,_DOI:10.1039/D4EE01147C

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