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光伏技術的新發表：無定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能

1.  研究方法與表征設備分析

2. 非晶態(lysine)2Pbl2層展現高光電轉換效率成果

光伏技術的新發表 ：無定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能

近日，由中科院院士楊德仁團隊、浙江大學王勇 及蘇州大學寧為華 共同發表于Nature Communications  2024年第15期一突破性研究為高效鈣鈦礦太陽能電池的發展開辟了新路徑。研究人員成功開發出一種新型無定形(賴氨酸)2PbI2鈍化層，通過固相反應在鈣鈦礦薄膜表面和晶界處形成。這種無定形結構具有更少的懸掛鍵，能有效中和表面/界面缺陷，顯著提高了電池效率。

與傳統的晶態鈍化材料相比，這種新型無定形層不僅降低了晶格應力，還作為屏障阻止有機成分的分解，抑制了鈣鈦礦的結構破壞，大幅提升了太陽能電池的穩定性。研究團隊報告稱，采用這種技術的鈣鈦礦太陽能電池效率高達26.27%（經認證為25.94%）。

圖 3 .光伏和器件特性

(a) PbI?-FACsMA和amo-FACsMA器件的J-V曲線，電池有效面積為0.09 cm2。

• JscJsc：25.83（PbI?-FACsMA），25.84（amo-FACsMA）

• VocVoc：1.104（PbI?-FACsMA），1.184（amo-FACsMA）

• FF：0.831（PbI?-FACsMA），0.858（amo-FACsMA）

• PCE：23.72%（PbI?-FACsMA），26.27%（amo-FACsMA）

• FF：0.739（FACsMA），0.806（amo-FACsMA）

• PCE：21.38%（FACsMA），24.93%（amo-FACsMA）

研究方法與表征設備分析

研究團隊在研究過程中，透過階段式的研究手法逐一量測并驗證該研究理論的可行性

1.    材料合成與制備：研究團隊合成了含賴氨酸的鈣鈦礦薄膜，通過固態擴散和反應過程，制備了不同賴氨酸擴散時間的薄膜樣品。

2.    薄膜沉積：使用旋涂或蒸鍍等方法將制備的鈣鈦礦材料沉積到基底上，形成薄膜。

3.    太陽能電池裝置制作：將制備的鈣鈦礦薄膜整合到太陽能電池裝置中，包括添加其他必要的層，如電極、傳輸層等。

4.    穩定性測試：對制備的太陽能電池裝置進行穩定性測試，評估其在不同條件下的性能變化。

5.    效能測量：使用標準的測試條件（如AM1.5G光譜、25°C）來測量太陽能電池的效能參數，如轉換效率、短路電流、開路電壓等。

6.    操作條件下的性能評估：可能進行了最大功率點（MPP）追蹤測試，以評估太陽能電池在實際操作條件下的性能。

要得到器件的優化進程，各項的表征設備，使得量測過程中得到更穩定的論證外，更幫助研究團隊有效地了解器件提升的狀態及進一步優化的可能性。
常見的表征設備如: 紫外可見光譜儀（UV-vis）：可用于分析材料的光吸收特性; X射線繞射儀（XRD）分析材料的晶體結構，并確定材料的晶相和晶格參數; 掃描電子顯微鏡（SEM）可觀察材料的表面和截面形態，提供微觀結構的影像; X射線光電子能譜儀（XPS）可確定元素的化學結合環境。另外，傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）通過紅外吸收光譜來識別材料中的化學組分; X射線吸收光譜儀（XAS），包括X射線吸收近邊結構（XANES）和擴散X射線吸收精細結構（EXAFS）; 時間解析光致發光系統（TRPL）：可測量材料的載流子壽命，研究激子動態和材料的缺陷密度; 電容頻率分析儀則應用于評估太陽能電池裝置中的陷阱狀態和載流子動態。

其中，太陽光模擬器和電流-電壓（J-V）測量系統在太陽能電池的表征量測中極其重要原因如下：

1.    性能評估：J-V測量是評估太陽能電池性能最直接的方法。通過J-V曲線，可以獲得關鍵的電池參數，如開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）和光電轉換效率（η），上述參數綜合反映了太陽能電池的整體性能。

2.    標準化測試：太陽能仿真器提供標準化的光照條件（如AM1.5G光譜、1000 W/m2的輻射強度），確保測量結果的可比性和重復性。這對于比較不同材料、結構或制程的太陽能電池性能至關重要。

3.    缺陷識別：J-V曲線的特征，如S形曲線、低填充因子或低短路電流，可以指示太陽能電池可能存在的缺陷，如電荷復合、電流泄漏或系列電阻過大。

4.    穩定性分析：通過連續的J-V測量，可以監測太陽能電池在不同環境條件下的長期穩定性，了解其性能衰退的速率和機制。

5.    優化與改進：J-V測量結果可用于指導太陽能電池的進一步優化和改進，幫助研究人員識別性能瓶頸并尋找解決方案。

6.    認證與商業化：對于商業化產品，J-V測量是產品認證和質量控制的重要步驟。通過J-V測量獲得的數據可用于產品卷標和市場推廣

本研究采用光焱科技-SS-X系列 AM1.5G 3A+級太陽光模擬器 搭配IVS-6000的量測軟件，及QE-R量子效率解決方案，使表征的參數可透過軟件經簡單導入后，進行交叉分析，作為表征過程中輕松且具有效率的量測模式。

光焱科技作為創新科技，致力于提供精準表征解決方案，采用先進的表征技術及具有效率的量測程序，助力研究團隊獲得高質量且精準實驗數據。進一步協助國內研究團隊在國際學術舞臺上展現優秀成果，提升學術影響力。
在快速發展的光伏領域中，提供關鍵參數和優化方案，推動研究器件性能提升。透過持續的技術創新和支持，促進再生能源產業的穩定成長。現階段也連接學術研究與產業應用，推動科研成果轉化，促進光伏產業商業化的進步。

非晶態(lysine)2Pbl2層展現高光電轉換效率成果

研究成員通過多種實驗方法證實了無定形（賴氨酸）2PbI2層增強了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率及穩定性：

1.    效率提升：研究人員通過測量太陽能電池的電流密度-電壓（J-V）特性和量子效率（EQE），證明了無定形（賴氨酸）2PbI2層導致的光電轉換效率提升。與參考設備相比，采用無定形（賴氨酸）2PbI2層的設備展示了更高的功率轉換效率（PCE），達到了26.27%，并且具有更好的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）。

2.    缺陷密度降低：研究人員觀察到無定形（賴氨酸）2PbI2層降低了非輻射復合，這與缺陷密度的降低相對應。此外，無定形（賴氨酸）2PbI2層降低了陷阱能量深度和缺陷密度，這對提高電池效率至關重要。

3.    穩定性增強：研究人員通過長時間的儲存壽命和操作穩定性測試，證明了無定形（賴氨酸）2PbI2層對鈣鈦礦太陽能電池穩定性的正面影響。在連續照明和/或加熱2000小時后，無定形（賴氨酸）2PbI2層抑制了鈣鈦礦的解構，而參考設備則出現了PbI2雜質峰，表明其穩定性較差。

4.    抑制有機組分分解：無定形（賴氨酸）2PbI2層作為屏障，防止了有機組分的分解，這有助于維持鈣鈦礦結構的完整性，進一步提高了太陽能電池的穩定性。

5.    結構和組成分析：無定形（賴氨酸）2PbI2層的結構和組成信息，證實了其作為有效鈍化層的特性。

綜合上述實驗結果，研究證實了無定形（賴氨酸）2PbI2層在增強鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和穩定性方面的有效性。

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文獻參考自Nature Communications.2024_ DOI: 10.1038/s41467-024-51551-y

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