全鈣鈦礦疊層太陽能電池因其迅速提升的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）及潛在突破單結(jié)電池極限的能力而備受關(guān)注。然而，盡管取得了顯著進(jìn)展，其耐用性仍需提升。
當(dāng)前先進(jìn)的反轉(zhuǎn)p-i-n結(jié)構(gòu)電池在退火后常出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致鈣鈦礦/電子傳輸層界面的高表面復(fù)合，尤其在混合錫鉛電池中，表面Sn2+氧化引發(fā)的深陷阱狀態(tài)進(jìn)一步增加了復(fù)合和不穩(wěn)定性，限制了電池的穩(wěn)定運行。
美國西北大學(xué)Edward H. Sargent?團(tuán)隊于8月號Nature Energy發(fā)表針對提升全鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能與穩(wěn)定性的研究中，提出了重要的解決方案。研究發(fā)現(xiàn)，混合錫鉛鈣鈦礦中的錫過量會引發(fā)氧化和非輻射復(fù)合問題，從而降低電池效率。通過使用二胺化合物，研究團(tuán)隊成功移除了薄膜表面的過量錫，并優(yōu)化了錫鉛比例，形成了具有抗氧化性的低維障礙層，有效減少了界面復(fù)合。進(jìn)一步采用1,2-二胺丙烷提升了障礙層的均勻性，使得電池效率達(dá)到28.8%，且在經(jīng)過1,000小時測試后，仍能保持90%的初始效率，顯示出穩(wěn)定性和潛力。
研究程序與設(shè)備使用說明
材料合成與處理：研究團(tuán)隊首先制備了混合Sn-Pb的鈣鈦礦薄膜，并使用乙二胺（EDA）、1,4-二氨基丁烷（DAB）和1,5-二氨基戊烷（DAP）等二胺螯合物進(jìn)行表面處理，以改善薄膜的穩(wěn)定性和性能。
薄膜表征：研究人員監(jiān)測了Sn和Pb的化學(xué)狀態(tài)以及薄膜表面的原子比例隨時間的變化。此外，還觀察薄膜的表面形態(tài)。
器件組裝與測試：研究團(tuán)隊將處理過的鈣鈦礦薄膜組裝成太陽能電池器件，并測試其開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
光學(xué)與電學(xué)分析：由此項研究程序使研究人員評估了激子的行為和壽命。
結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系：研究團(tuán)隊分析了二胺螯合物對鈣鈦礦薄膜的影響，包括螯合物的結(jié)構(gòu)特性和它們與鈣鈦礦的相互作用，以及這些因素如何影響器件的整體性能。
穩(wěn)定性評估：研究人員對太陽能電池的長期穩(wěn)定性進(jìn)行了評估，包括老化測試和環(huán)境條件下的性能變化。
比較與對照：最后，研究團(tuán)隊將他們的結(jié)果與其他相關(guān)研究進(jìn)行比較，以驗證其方法的有效性和創(chuàng)新性。
研究團(tuán)隊?wèi)?yīng)用多種表征設(shè)備，如上圖: X射線光電子能譜（XPS）﹐導(dǎo)電原子力顯微鏡（cAFM）等 ，藉以達(dá)到量測參數(shù)與理論驗證上的吻合，進(jìn)而強(qiáng)化高IF值的期刊對其研究理論收錄。
光焱科技針對鈣鈦礦太陽能電池提供各種表征設(shè)備，不只是提供精準(zhǔn)且高重復(fù)性的量測參數(shù)，且在十年的科研領(lǐng)域中，各大國際性期刊多數(shù)采納了研究團(tuán)隊們使用光焱科技表征解決方案所量測的各項參數(shù)。
近年來，鈣鈦礦疊層太陽能電池逐漸成為研究流派之一的同時，光焱科技也同步因應(yīng)研究的需求，強(qiáng)化了設(shè)備的專門性。 SS-PST100R就是專為鈣鈦礦疊層太陽能電池 所設(shè)計的完整解決方案
光焱科技疊層太陽能電池太陽能電池測試軟件示意圖
通過SS-PST測試鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的IV曲線。在光譜調(diào)制下，子電池達(dá)到了光譜匹配和電流匹配條件，獲得了最佳的填充因子和轉(zhuǎn)換效率。
混合錫-鉛鈣鈦礦薄膜應(yīng)用有效提升全鈣鈦礦疊層太陽能電池
本研究成功克服了多項技術(shù)瓶頸。首先，解決了混合錫-鉛低帶隙層中長期存在的非輻射復(fù)合問題，這一問題一直限制著鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩(wěn)定性。其次，通過雙胺螯合物的應(yīng)用，顯著減少了表面錫的氧化，避免了由此導(dǎo)致的表面重組和性能下降。此外，研究團(tuán)隊通過形成低維電阻屏障層，成功鈍化了表面缺陷，進(jìn)一步減少了界面復(fù)合。最后，研究還解決了混合錫-鉛鈣鈦礦薄膜中的成分梯度問題，該問題會加劇氧化并增加復(fù)合率。
因此，得到了:
效能提升：研究團(tuán)隊開發(fā)了使用雙胺螯合物的方法，特別是1,2-二胺丙烷（DAP），來改善混合錫-鉛鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性和效能。經(jīng)過處理的串聯(lián)太陽能電池達(dá)到了28.8%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
穩(wěn)定性增強(qiáng)：經(jīng)過封裝的疊層太陽能電池在模擬一太陽光照下運行1,000小時后，仍能保持90%的初始效率，顯示出運行穩(wěn)定性。
界面重組減少：雙胺螯合物通過減少界面重組和抑制錫的氧化，提高了太陽能電池的整體性能。
均勻性改善：使用1,2-二胺丙烷改善了螯合物在薄膜上的空間分布均勻性，從而實現(xiàn)了更有效的缺陷鈍化和表面?zhèn)鲗?dǎo)性控制。
長時間運行：研究展示了在最大功率點追蹤（MPP）條件下，經(jīng)過DAP處理的太陽能電池在空氣中不冷卻情況下能夠保持較長時間的高效率運行。
上述成果不僅為鈣鈦礦太陽能電池的效能和穩(wěn)定性提升提供了重要科學(xué)依據(jù)，也為未來的技術(shù)應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。
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SS-PST100R
文獻(xiàn)參考自Nat. Energy.Aug.2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01613-8
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