钙钛矿-有机叠层太阳能电池稳定宽带隙钙钛矿的工艺

钙钛矿-有机叠层太阳能电池的发展不仅推动了光伏技术的进步， 也为可再生能源的普及和应用带来了新的希望。 未来， 随着技术的进一步突破和商业化进程的加快， 钙钛矿-有机叠层太阳能电池有望在全球能源市场中占据重要地位。

近年来， 钙钛矿太阳能电池 (PSC) 因其高效、 低成本和易于制备等优势， 成为最有希望替代传统硅基太阳能电池的下一代光伏技术之一。 其中， 宽带隙钙钛矿 (WBG-PSC) 因其与有机太阳能电池匹配性高， 可以实现叠层结构， 大幅度提升光电转换效率。 然而， WBG-PSC 的稳定性一直是阻碍其发展的重要问题。

钙钛矿-有机叠层太阳能电池的发展历程经历了几个关键阶段，以下是其主要的发展历程：

• 初期研究阶段（2009-2013年）:

• 2009年，钙钛矿材料被引入太阳能电池中。这一时期的研究主要集中在探索钙钛矿材料的光电特性以及其在太阳能电池中的应用潜力。

• 2012年，研究人员成功制备了稳定的钙钛矿太阳能电池，效率约为9.7%。

• 效率提升阶段（2014-2016年）:

• 这一时期，钙钛矿太阳能电池的转换效率迅速提升。研究人员通过优化材料合成工艺、改进电池结构设计等方法，使得电池效率突破20%。

• 有机太阳能电池的研究也在同步进行，重点在于提高其稳定性和效率。

• 叠层结构发展阶段（2016-2019年）:

• 钙钛矿-有机叠层太阳能电池开始受到广泛关注。叠层结构的设计旨在结合钙钛矿和有机材料的优势，实现更高的光电转换效率。

• 研究人员通过创新性的电池结构设计和接口工程技术，进一步提升了电池的效率和稳定性。

• 商业化探索阶段（2019年至今）:

• 随着技术的不断成熟，钙钛矿-有机叠层太阳能电池逐渐进入商业化应用探索阶段。

• 研究重点转向大面积电池的制备、生产工艺的优化以及长期稳定性的提升。

• 一些公司和研究机构开始进行试生产和应用测试，以推动这一新型太阳能电池的市场化进程。

由于碘离子在光照作用下的耗损， 会导致卤化物相分离， 影响钙钛矿材料的稳定性和电池的效率。 因此， 如何稳定宽带隙钙钛矿， 防止碘离子耗损， 是目前研究的重点之一。

近期， 新加坡国立大学侯毅教授和美国华盛顿大学 David S. Ginger 教授的团队在Joule 杂志发表了重要的研究成果。 他们利用一种新型的钝化分子 2-氨基-4,5-咪唑二腈 (AIDCN) ， 成功地抑制了宽带隙钙钛矿中碘离子的耗损， 解决了材料相分离问题， 并提升了器件的稳定性。

【提升器件性能:锁住碘离子， 稳定宽带隙钙钛矿】

该团队研究发现， 2-氨基-4,5-咪唑二腈 (AIDCN) 拥有高度极化的电荷分布和紧凑的分子构型， 可以与碘离子（I−） 发生相互作用， 从而抑制光照诱导的碘离子耗损和相分离现象。

l  防止相分离: 利用高光谱光致发光显微镜分析， 研究人员发现 AIDCN 能有效减缓光照下钙钛矿材料的相分离， 进而提升了钙钛矿材料的光电稳定性。

l  抑制碘离子耗损: 原位掠入射广角X射线散射 (GIWAXS) 和 X射线荧光测量结果表明， AIDCN 的引入， 可以显著减缓钙钛矿晶格的收缩， 同时有效维持材料整体的化学组成。 这证实了 AIDCN 的应用有效地抑制了碘离子的耗损。

【实现叠层效率新突破： 开创钙钛矿太阳能电池应用的新篇章】

应用 AIDCN 的钝化策略， 研究团队成功地制备出 1.86 eV 宽带隙钙钛矿太阳能电池， 并获得了高达 18.52% 的光电转换效率。 更重要的是， 他们将这种高性能的宽带隙钙钛矿子电池与 PM6:BTP-eC9 有机子电池相结合， 构建了高效的钙钛矿-有机叠层太阳能电池， 最终实现了创纪录的 25.13% 的光电转换效率， 经过认证后的稳定效率为 23.40% 。

该团队研究成果充分展现了通过分子工程策略， 针对性地解决钙钛矿太阳能电池材料稳定性问题的重要性。 这一研究将有力地推动更高效、 更稳定、 更廉价的钙钛矿-有机迭层太阳能电池技术的应用， 为未来发展更高效的光伏技术奠定了坚实的基础。

该研究通过引入 AIDCN 钝化策略， 成功解决了钙钛矿太阳能电池中普遍存在的碘离子耗损和相分离问题， 为构建更高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供了有效的解决方案。

重要技术参数：

钙钛矿-有机叠层太阳能电池效率: 25.13% (认证效率：23.40%)

关键技术： AIDCN 钝化策略

新加坡国立大学_侯毅教授

现任新加坡国立大学化学与生物分子工程系教授和新加坡国立大学太阳能研究机构（SERIS）主任， 是能源材料和太阳能电池的专家。 他在光伏技术和能源材料方面做出了突出贡献， 并在国际顶级期刊发表了200多篇高水平学术论文， 多次获得国家和国际重要奖项和荣誉。 他的研究团队也一直致力于钙钛矿太阳能电池技术的发展。

课题组主要研究方向

i.      材料创新：

·         开发新型宽带隙钙钛矿吸收体、先进界面材料和柔性电极。

·         探索自组装单层、二维材料和金属氧化物，提高光电转换效率和器件稳定性。

ii.      创新结构和组装技术：

·         研究新方法操控、加工和组装材料，揭示新的光学和电学特性。

·         建立经济高效、高重复性和快速的加工方法，满足大规模生产需求。

iii.      先进的叠层太阳能电池：

·         综合研究开发可靠、高效、经济的钙钛矿叠层太阳能电池。

·         优化串联结构、复合结、电接触、透明导电氧化物、钝化剂和封装方法，提升太阳能转换效率和稳定性。

参考文献

Stabilizing efficient wide-bandgap perovskite in perovskite-organic tandem solar cells _ Joule, July 08, 2024 _ DOI:10.1016/j.joule.2024.06.009

【本研究参数图】

1. 设计的极化结构：左上角展示了一个分子的极化结构图，表明通过设计分子的极化结构来优化材料性能。

2. 抑制碘耗损：中间部分展示了两种不同情况下的钙钛矿结构图。左侧是对照组，显示碘（I₂）耗损的情况；右侧是使用AIDCN处理后的结构，显示碘耗损被抑制。

3. 高性能的叠层太阳能电池：右上角的图表展示了该研究工作的太阳能电池性能数据，与其他已报导的钙钛矿/有机光伏叠层 太阳能电池的性能进行对比，显示出该研究工作的电池具有更高的效率（25% PCE）。

总结：通过设计极化结构和使用AIDCN处理，研究人员成功抑制了碘的逃逸，从而提高了钙钛矿叠层太阳能电池的性能。

推荐设备

SS-PST100R AM1.5G 可变标准光谱模拟光源

高效率新型叠层太阳能电池精准效率测量的伙伴

·         采用光焱最新的单氙灯光源光谱控制技术，可在单一氙灯光源下将光谱修饰，达到氙灯加卤灯双光源光谱等级。

·         输出光谱由 300-1700nm 均可符合 1.5G 光谱要求其平均光谱失配 ≤ 6% (IEC 60904-9：2020) 。

·         仅采用单氙灯，因此无双光源两灯泡寿命不匹配，以及一般卤灯仅 50 小时寿命之问题。

·         具有A++光谱等级，其氙灯寿命可超过1,000小时，克服了双光源卤素灯灯泡寿命不到50小时之缺点。

·         大幅缩减光源调校时间，并增加系统测试结果的数据重现性。

·         单灯源的设计，相较多灯珠 LED 型的模拟器有更好的 SPC 光谱覆盖率与更低的 SPD 光谱偏差率，可提供更为准确的叠层太阳能电池测试结果。

文献参考自 Joule, July 08, 2024 _ DOI:10.1016/j.joule.2024.06.009  

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