南方科大王湘麟团队联手KAUST突破PSCs 25.1%

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电转换效率和低成本制备，在过去十年间引发了广泛的研究热潮，并被认为是最有潜力替代传统硅太阳能电池的下一代光伏技术之一。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性一直是限制其实际应用的主要障碍。

南方科技大学王湘麟教授团队联合阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) Stefaan De Wolf 教授近期取得重大突破，通过缺陷管理和离子渗透阻挡策略，成功研发出高性能、高稳定性的钙钛矿太阳能电池，其能量转换效率达到惊人的 25.1%，这項研究成果发表在美国化学学会期刊《ACS Energy Letters》上。

钙钛矿太阳能电池稳定性挑战

钙钛矿材料的本质缺陷和外部环境的影响，会导致钙钛矿太阳能电池的性能衰退，主要体现在以下几个方面：

l  缺陷： 钙钛矿材料的晶格中存在各种缺陷，例如空位缺陷、间隙缺陷和反位缺陷等。这些缺陷会充当电荷陷阱，导致电荷重组，降低器件的效率和稳定性。

l  离子迁移： 钙钛矿材料中的离子，例如碘离子和有机胺离子，在电场作用下会发生迁移，导致器件的电流-电压特性发生变化，并影响器件的稳定性。

l  水分和氧气： 钙钛矿材料对水分和氧气敏感，会发生降解，影响器件的性能和寿命。

本研究使用设备
SS-X系列AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器
QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案

缺陷管理与离子渗透阻挡策略的双重作用

王湘麟教授团队针对钙钛矿太阳能电池的稳定性挑战，提出了创新的缺陷管理和离子渗透阻挡策略。

缺陷管理： 团队使用苯肼-4-磺酸 (PHPA) 作为添加剂，在钙钛矿薄膜形成过程中调节晶体生长。PHPA 的作用机制主要包括：

l抑制碘空位 (VI) 的形成： DFT 計算表明 PHPA 可以与钙钛矿晶格中的 Pb2+ 离子形成配位键，有效抑制碘空位的形成，减少电荷陷阱，提高电荷转移效率。

l钝化配位不足的 Pb2+ 離子： PHPA 可以与位于钙钛矿晶格表面的配位不足的 Pb2+ 离子形成配位键，降低缺陷密度，提高材料的稳定性。

离子渗透阻擋： 团队使用全氟辛酸 (PFOA) 来钝化位于钙钛矿表面上的悬挂 Pb2+ 缺陷，提高表面疏水性，并抑制 Li+ 离子从空穴传输层 (HTL) 向钙钛矿底部迁移。PFOA 的作用机制主要包括：

l钝化表面缺陷： PFOA 可以与位于钙钛矿表面上的悬挂 Pb2+ 离子形成配位键，有效钝化缺陷，降低电荷重组。

l提高表面疏水性： PFOA 是疏水性物质，可以有效提高钙钛矿薄膜的表面疏水性，减少水分和氧气的渗透，提高器件的环境稳定性。

l抑制 Li+ 离子迁移： PFOA 可以形成疏水性保护层，有效阻挡 Li+ 离子从 HTL 向钙钛矿底部迁移，提高器件的操作稳定性。

Enlitech 量测设备助攻研究突破

王湘麟教授团队在研究中使用了光焱科技 (Enlitech) 的 SS-X 系列太阳光模拟器和 QE-R 量子效率测试仪，这两款设备在钙钛矿太阳能电池的性能测试和评估中发挥了至关重要的作用。

-SS-X AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器 可以精确模拟太阳光谱，为钙钛礦太陽能電池提供真实的测试环境，确保测试结果的准确性和可靠性。該設備模拟光谱的精度和稳定性，對於準確評估钙钛矿太阳能电池的性能至关重要。

-QE-R 量子效率測試儀 則可以测量不同波长光照下器件的外部量子效率 (EQE)，幫助研究人員分析光电转换过程，优化器件结构和材料选择。该设备能够提供关于器件在不同波长下光电转换效率的信息，帮助研究人员深入了解材料的光电特性，並优化器件设计，提高能量轉換效率。

高效率、高穩定性的突破性成果

通过缺陷管理和离子渗透阻挡策略的双重作用，以及 Enlitech 量测设备的辅助，王湘麟教授团队成功研发出具有高效率和高稳定性的钙钛矿太阳能电池，其能量转换效率达到 25.1%，并且在最大功率点 (MPP) 跟踪测试中表现出优异的稳定性。

未来展望

王湘麟教授团队的突破性研究成果，为钙钛矿太阳能电池的实际应用开闢了新的道路。未来，研究人员将继续探索更有效的缺陷管理和离子渗透阻挡策略，并结合先进的表徵手段和模拟计算，进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，推动该技术走向商业化应用。

本文参数图:

Fig. S17_ 该图显示了不同薄膜的器件在不同环境条件下的稳定性测试结果。 在相同的环境条件下，PHPA+PFOA 薄膜器件比 Control 器件表现出更优异的稳定性。图 S17a 突出了环境稳定性的显着提高，其中 PHPA+PFOA 器件在暴露于环境条件下 5000 小时后仍保持其初始 PCE 的 88% 以上，而 Control 器件仅保留其初始值的 60%。此外，PHPA+PFOA 薄膜器件在高温高湿条件下表现出非凡的稳定性，如图 17d 所示。在暴露于空气中 10 天后，PHPA+PFOA 器件保持其初始 PCE 的 89% 以上，而 Control 器件的性能迅速下降到其初始值的 25%。这些结果表明，PHPA+PFOA 器件比 Control 器件具有更优异的稳定性，尤其是在高温高湿条件下。这种增强的稳定性可以归因于几个因素，包括添加 PHPA 和 PFOA 改性所导致的缺陷密度降低、疏水性提高以及离子迁移抑制。

重要性： 该图证明了 PHPA 和 PFOA 的添加可以有效提高钙钛矿太阳能电池的环境和操作稳定性，这是该研究中最重要的成果之一。

Figure S6. Steady-state photoluminescence (PL) spectra for perovskite films the Control, PHPA, and PHPA+PFOA
该图显示了不同薄膜的稳态光致发光 (PL) 光谱。 与 Control 薄膜相比，PHPA 薄膜的 PL 强度更强，表明在添加 PHPA 后，薄膜的非辐射重组被有效抑制。在进行 PFOA 改性后，得到的 PHPA+PFOA 薄膜的 PL 强度。

重要性： 该图表明 PHPA 和 PFOA 可以有效降低钙钛矿薄膜的非辐射重组，从而提高其光电转换效率。

Fig S14. (a) Steady-state PL and (b) TRPL spectra of Glass/PVSK/PFOA, Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD and Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD. 该图显示了不同薄膜的稳态 PL 和 TRPL 光谱。为了研究 PFOA 对空穴提取的影响，研究人员对 Glass/PVSK/PFOA、Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 和 Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜进行了 PL 和 TRPL 测量。如图 a 所示，Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜的 PL 猝灭速度快于 Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 薄膜，表明 PFOA 改性可以提高空穴提取效率。这种机制可能是由于功函数的降低造成的，这一点得到了 KPFM 结果的支持。进一步进行了时间分辨 PL (TRPL) 测量，以确定 Glass/PVSK/PFOA、Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 和 Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜的载流子寿命。如图 b 所示，Glass/PVSK/PFOA、Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 和 Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜的平均载流子寿命分别为 265.92 ns、101.89 ns 和 88.02 ns。Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜中观察到的最短载流子寿命与其最快的 PL 猝灭行为相一致，这进一步表明 PFOA 改性可以促进载流子提取。

重要性： 该图表明 PFOA 可以促进空穴提取，提高器件的性能。

Figure S16. Jsc to the light intensity plots of PSCs. 该图显示了 PSC 的短路电流密度 (Jsc) 与光强度的关系图。Jsc 与光强度的关係表明，PHPA+PFOA 器件的 α 值最佳为 0.95，表明其具有最高的电荷载流子提取效率。

重要性： 该图表明 PHPA 和 PFOA 的添加可以提高器件的电荷载流子提取效率，从而提高器件的性能。

原文出处: ACS Energy Lett. 2024, 9

推薦設備_

1.      QE-R_世界上流行和值得信赖的 QE / IPCE 系统

具有以下特色優勢：

l高精度: QE-R 系統采用高精度光谱仪和校准光源，确保 EQE 测量的准确性和可靠性。

l宽光谱范围: QE-R 系統的光谱范围覆盖紫外到近红外区域，适用于各種光伏材料和器件的 EQE 测量。

l快速测量: QE-R 系統具有快速扫描和数据采集功能，能够高效地进行 EQE 光谱测量。

l易于操作: QE-R 系統软件界面友好，操作简单方便，即使是初学者也能轻松上手。

l多功能: QE-R 系統不僅可以进行 EQE 测量，还可以进行反射率、透射率等光学特性的测量，具有多功能性。

2. LQ-100X-PL 光致发光与发光量子产率测试系统

具有以下特色優勢：

l以紧凑的设计，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配 4 吋外径 PTFE 材质的积分球，并且整合 NIST 追溯的校准，让手套箱整合 PL 与 PLQY 成为可能。

l利用先进的仪表控制程序，可以进行原位时间 PL 光谱解析，并且可产生 2D 与 3D 图表，说明用户可以更快地表征材料在原位时间的变化。

系统光学设计可容易的做红外扩展，波长由1000 nm 至 1700 nm。粉末、溶液、薄膜样品都可兼容测试。