從Science看鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點，你看好哪個？

youyoucao 3年前 (2021-01-05) 2754瀏覽

2020年Science主刊發表了11篇鈣鈦礦太陽能電池領域的文章，其中4篇報道疊層電池，鈣鈦礦/硅疊層電池最高認證的PCE已經達到29.1%；4篇研究聚焦于鈣鈦礦本身優化，尤其是針對FbPbI3鈣鈦礦；1篇文章針對空穴傳輸層做了改性處理；1篇文章揭示了深層次的機理，優化了測試手段；1篇文章報道了一種性能優異的封裝層，通過了國際61215:2016技術標準，加速了鈣鈦礦太陽能電池的市場應用。

一、疊層太陽能電池

從圖1可以看到，鈣鈦礦電池和硅電池疊層使用有效拓寬了太陽能電池的光吸收范圍，在可見光波段范圍以及紅外波段都擁有極高的外量子效率。疊層電池的發展將有效推動鈣鈦礦電池的市場應用。

圖1?鈣鈦礦/硅疊層電池示意圖及EQE圖譜[1]

1. Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction

2. Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite on textured crystalline silicon

3. Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide-bandgap perovskites

4. Triple-halide wide–band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems

二、鈣鈦礦體系優化

圖2展示了四種鈣鈦礦膜層的優化處理方法，鈣鈦礦雖然擁有出色的性能，但是在各種成膜過程中不可避免會產生缺陷，通過有效的優化手段，可以有效提高薄膜的質量及穩定性，揭示高質量薄膜形成機理，為鈣鈦礦電池的進一步發展打好基礎。值得注意的是，在這四篇研究中，研究鈣鈦礦主要是有機-無機雜化鈣鈦礦，尤其是FAPbI3鈣鈦礦。FAPbI3鈣鈦礦本身由于熱力學α相不穩定，之前鮮少被看好，但是現在卻能通過簡單的后處理提高α相的穩定性，可見沒有穩定性差的鈣鈦礦，只有亟待發現的后處理~

圖2 鈣鈦礦體系優化。（a）SCN-后處理示意圖[2]；（b）鈣鈦礦薄膜后處理示意圖[3]；（c）XRD特征峰隨MDA和Cs添加量變化曲線[4]；（d）二次離子質譜3D譜圖[5]。

1. Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3perovskite solar cells

2. Resolving spatial and energetic distributions of trap states in metal halide perovskite solar cells

3. Impact of strain relaxation on performance of α-formamidinium lead iodide perovskite solar cells

4. A piperidinium salt stabilizes efficient metal-halide perovskite solar cells

三、改性空穴傳輸層

空穴傳輸層最開始從有機空穴發家，但是昂貴的價格和熱穩定性能始終是有機空穴物質的兩大挑戰，官能團的氟化處理常見于超疏水結構的改性處理，以提高膜表面的疏水性能。筆者認為想做好鈣鈦礦太陽能電池的研究，一定要多了解各個研究方向，說不定下次拿紫外光照一照，改善了疏水性能，就有意想不到的收獲了，祝愿各位同學都有自己的靈感繆斯。

圖3 氟化處理后的空穴傳輸層結構[6]

1. Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss

四、機理研究

鈣鈦礦對電子束的敏感性，筆者有非常深（且痛）的感悟：提心吊膽準備樣品，抽好真空耶還沒有出現針狀晶！然后電子束聚焦一分鐘，膜就燒焦了，結構也破壞了，該揮發的都沒有了。所以筆者非常非常佩服這篇文章的作者們，居然能照出來如此清晰排列規整的鈣鈦礦晶格，這為之后的機理研究打開了新的大門！筆者會持續追蹤這個課題組，一定會有更多有趣的發現。

圖4 原子級STEM照片[7]

1. Atomic-scale microstructure of metal halide perovskite

五、高性價比封裝層

封裝的重要性，對于各種穩定性測試來說都是剛需。擁有好的封裝層，我們的鈣鈦礦電池“上刀山下火海”都不在話下。

圖5 封裝后電池性能測試[8]

1. Gas chromatography-mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells

2020年Science總結完畢，小伙伴們競猜一下鈣鈦礦領域下一個研究熱點

  • 疊層電池
  • 有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池
  • CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池
  • 封裝、環保與壽命問題
  • 鈣鈦礦機理研究
  • 其他?????????

參考文獻

[1] Al-Ashouri A, K?hnen E, Li B, et al. Science, 2020, 370(6522): 1300-1309.

[2] Lu H, Liu Y, Ahlawat P, et al. Science, 2020, 370(6512).

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[4] Kim G, Min H, Lee K S, et al. Science, 2020, 370(6512): 108-112.

[5] Lin Y H, Sakai N, Da P, et al. Science, 2020, 369(6499): 96-102.

[6] Jeong M, Choi I W, Go E M, et al. Science, 2020, 369(6511): 1615-1620.

[7] Rothmann M U, Kim J S, Borchert J, et al. Science, 2020, 370(6516).

[8] Shi L, Bucknall M P, Young T L, et al. Science, 2020.

本文由西游供稿。

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