Nature： 外平面陽離子均一化鈣鈦礦太陽能電池，效率提升了26.1%

Andy 3天前 167瀏覽

01. 導讀

在當今的能源危機和氣候變化威脅下，尋找可再生能源解決方案已經成為全球科學界和工業界的當務之急。太陽能電池技術一直備受關注，因為它具有無限的能源供應、環保和高效的潛力。鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cells，PSCs）是太陽能電池領域的一項突破性技術，近年來取得了顯著的進展。

鉛鹵化物鈣鈦礦太陽能電池是一種新型太陽能電池，其活性層通常由鈣鈦礦結構的材料組成，具有優越的光電性能，高效的光吸收和較低的制造成本。這些特點使PSCs成為了一個備受矚目的領域，并吸引了廣泛的研究興趣。

鉛鹵化物鈣鈦礦太陽能電池在相對短的時間內實現了顯著的效率提升，從最初的不到4%提高到如今已經超過25%的效率，接近傳統硅太陽能電池的性能水平。這一迅猛的發展主要得益于新型的材料設計、工藝優化以及更高效的光電轉換機制的發現。

然而，值得注意的是，特別是使用FA-Cs合金鈣鈦礦對A位組成進行調節，已經成為提高效率的有希望的方法。然而，由于陽離子分離，包含Cs的鈣鈦礦的穩定性引發了日益增加的擔憂，這可能進一步加速長期降解。目前尚未完全了解這些不均勻相在鈣鈦礦中的分布以及它們對效率的直接影響。

02. 成果掠影

鑒于此，中國科學院固體物理研究所潘旭等人通過不同研究機構和國際團隊之間交流，可視化了垂直方向上鈣鈦礦薄膜中的空間不均勻相分布，并提出了設備性能受外平面組分不均勻性限制的觀點。此外，團隊還發現A位組分之間不平衡的結晶和相變過程對FA-Cs相分離有重要影響。為解決這一問題，他們設計了一種策略，利用1-(苯磺酰基)吡咯（PSP）作為添加劑，延緩了FA-Cs鈣鈦礦的陽離子分離行為。經過PSP處理的p-i-n結構的器件實現了26.1%的最高效率（認證反向效率為25.8%和認證穩態效率為25.2%）。相關研究成果以“Out-of-plane cations homogenise perovskite composition for solar cells”為題，發表在頂級期刊《Nature》上。

03. 核心創新點

本文的核心創新點是通過使用1-(苯磺酰基)吡咯（PSP）添加劑，成功減緩了FA-Cs鈣鈦礦太陽能電池中的陽離子分離現象，提高了太陽能電池的性能和穩定性。

04. 數據概覽

圖1.?空間垂直FA-Cs相分離的存在。a，示意圖展示了由于外平面FA-Cs分離引起的不均勻相分布。b，電荷勢能（ESP）圖像和PSP的分子結構。c，從飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）光譜中獲得的參考（藍色）和PSP（紅色）器件的陽離子分布。d，從依賴深度的X射線光電子能譜（XPS）測量中提取的參考（實線）和PSP（虛線）的原子百分比剖面。e-f，參考樣品（e）和經過PSP處理的樣品（f）的高角度暗場透射電子顯微鏡（HAADF-TEM）圖像（比例尺為200納米）。每幅圖像的第二排是從相應的方框區域獲得的高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像（比例尺為1納米）。第三排表示沿3納米范圍內的強度變化的計算。在相應圖像中標明了計算的晶格面間距。g-h，從參考（g）和PSP（h）處理的鈣鈦礦薄膜底部收集的放射線衍射光譜（GIXRD）的放大圖譜。通過改變X射線束入射角度，可以獲得具有空間垂直分辨率的結構信息。

圖2.?揭示了FA-Cs相分離的起源。a，原位合成chrotron輻射示蹤入射廣角X射線散射圖案，顯示了結晶和相變過程。b-c，計算結果示意圖，顯示了在結晶和相變過程中參考系統（b）和PSP系統（c）中自由能演化的過程。淺藍色和淺紅色填充的矩形分別代表相關的FAPbI3相和CsPbI3相。藍色和紅色的實線表示FAPbI3和CsPbI3的自由能演化。d-e，EXAFS測量結果的Fourier變換R空間結果圖。f，根據EXAFS測量計算的Pb-O配位比例圖。g，PSP和PSP(PbI2)復合物的FTIR光譜圖案。

圖3.?光電特性。a，沉積在石英玻璃襯底上的鈣鈦礦薄膜經過PSP處理和未經處理的穩態光致發光（PL）光譜。b，沉積在石英玻璃襯底上的鈣鈦礦薄膜的時間分辨光致發光（TRPL）光譜。實線是采用雙指數擬合方法擬合的結果。c，FA0.95Cs0.05PbI3鈣鈦礦的構建晶格模型。晶格的(100)平面暴露以吸附PSP分子進行密度泛函理論（DFT）計算。d，包括參考和PSP系統中各種類型缺陷的缺陷形成能量（DFE）計算結果的統計圖。e-f，鈣鈦礦薄膜（e）和PSP鈣鈦礦薄膜（f）內的帶間對齊示意圖。能帶最小值（CBM）、價帶最大值（VBM）和費米能級（EF）的值是從深度剖面紫外光電子譜中提取的。

圖4.?器件性能和穩定性。a，實驗室規模中冠軍p-i-n PSCs的J-V曲線。活性區域約為0.073 cm2。逆向掃描和SPO曲線的詳細光伏參數嵌入在圖中。b，PSP太陽電池的光子到電子轉化效率（IPCE）圖。紅色實線表示積分JSC。c，在LED模式下從參考和PSP太陽電池中測量的EQE曲線。內部照片是LED模式下工作的PSCs。d，有無PSP的大規模PSCs的J-V曲線。內部照片是1 cm2活性區域的大規模PSCs。e，未封裝的參考和PSP設備在最大功率點（MPP）下連續跟蹤下的歸一化PCE演變曲線，遵循ISOS L-1I協議。參考設備和PSP設備的初始PCE分別為25.40%和23.54%。f，根據ISOS D-3協議，在85°C和85%相對濕度（RH）下測試的封裝設備的濕熱可靠性測試結果。基于ITO/PTAA/Perovskite/C60/Au疊層的器件堆棧用于濕熱測試。實線表示六個獨立設備的平均PCE演變。參考設備和PSP設備的初始平均PCE分別為19.2%和21.8%。

05. 成果啟示

本文的研究成果為鉛鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）領域提供了重要的啟示。通過引入1-(苯磺酰基)吡咯（PSP）策略，成功減緩了FA-Cs相分離現象，進一步改進了PSCs的性能和穩定性。這一研究對于鉛鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的未來發展有著深遠的啟示作用，具體如下：

  1. 提高效率和穩定性：PSP的引入為PSCs的效率提高提供了新途徑，使得最大功率點（MPP）的穩態效率達到了25.8%。這表明，合理的材料設計和工程策略可以顯著提高太陽能電池的性能，進一步推動其商業應用。
  2. 增強長期穩定性：研究還證明，經過PSP處理的PSCs在長期穩定性方面表現出更好的性能。這對于太陽能電池的商業化應用至關重要，因為穩定性通常是影響其壽命和可持續性的關鍵因素。
  3. 理解相分離機制：本研究深入研究了FA-Cs相分離現象的機制，為進一步解決PSCs中的相分離問題提供了重要線索。這有助于設計更加穩定和高效的鈣鈦礦材料，推動其在太陽能電池領域的廣泛應用。

總之，本研究的成果不僅有助于改進鉛鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩定性，還為可再生能源領域的發展提供了重要的啟示。這些發現為更高效、更穩定的太陽能電池技術的實現提供了重要線索，有望推動清潔能源產業的進一步發展和應用。

 

原文詳情：Liang, Z., Zhang, Y., Xu, H. et al. Out-of-plane cations homogenise perovskite composition for solar cells. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06784-0

本文由Andy供稿。

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