中科院大连化物所李灿院士钙钛矿薄膜实现晶面主导稳定高效器件

钙钛矿太阳能电池（PSC）在近年来展现出惊人的发展势头， 其高效率、低成本和制备工艺简单等优点， 使得它成为下一代太阳能电池的重要候选技术。 然而， 钙钛矿材料本身存在着一些挑战， 例如， 材料的稳定性问题， 以及在器件制备过程中， 不同晶体生长方向的控制问题。

钙钛矿薄膜成为未来钙钛矿太阳能电池发展的主要关键，主要原因有：

l  高光电转换效率: 钙钛矿材料具有优异的光吸收性能和电子-空穴对的生成能力，能够实现高效的光电转换。目前，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过25%，与传统的硅基太阳能电池相媲美。

l  低成本生产: 钙钛矿材料的原料丰富且价格低廉，其制造过程可以采用溶液处理、喷涂、旋涂等低温工艺，显着降低生产成本。相比之下，传统的硅基太阳能电池需要高温、高真空的复杂工艺。

l  材料可调性: 通过改变钙钛矿材料的组成和结构， 可以调节其能带结构、光吸收范围和载流子迁移率。这种可调性使得钙钛矿太阳能电池能够适应不同的应用需求，并不断提升其性能。

l  柔性和可打印性: 钙钛矿材料可以沉积在柔性基底上， 制造出轻便、 柔软的太阳能电池。此外， 其可打印性使得大面积生产成为可能， 进一步降低了制造成本并拓宽了应用领域， 如便携式电子设备、 建筑一体化光伏等。

l  稳定性提升: 尽管早期的钙钛矿太阳能电池存在稳定性问题， 但通过界面工程、 材料改性和封装技术的改进， 钙钛矿薄膜的环境稳定性和使用寿命有了显着提升。 这为其商业化应用铺平了道路。

为了解决这些问题， 科研人员一直在不断探索新的制备方法和材料， 希望可以获得更高效、 更稳定的钙钛矿太阳能电池器件。

近期， 中国科学院大连化学物理研究所李灿院士带领的研究团队在 Energy & Environmental Science 杂志发表了一项重磅研究成果。 他们的研究揭示了钙钛矿薄膜中 (111) 晶面的优势， 并通过巧妙的添加剂策略， 成功地实现了 (111) 晶面主导的钙钛矿薄膜的制备。 相比传统 (100) 晶面主导的薄膜， 该团队获得的 (111) 晶面薄膜展现出更强的抗潮气性能， 并拥有更好的稳定性和更高的效率！

【(111) 晶面主导： 稳定性和效率的双重提升】

通常情况下， 钙钛矿薄膜中 (100) 晶面更易于形成。 然而， (111) 晶面展现出了优势， 例如更强的抗潮气性能， 以及更高的光电转化效率。

该团队通过将有机铵盐（OAS）添加到 PbI2 前驱体溶液中， 利用两步沉积法成功制备出了 (111) 晶面主导的钙钛矿薄膜。 他们的研究揭示了这种 (111) 晶面的形成机制：

OAS 阳离子的作用: OAS 阳离子的尺寸比 FA+ 离子更大， 它们在第一步中会插入 PbI2 层间， 阻碍 FA+ 在第二步中进入 (100) 晶面暴露的晶体， 从而抑制了 (100) 晶面的生长。

(111) 晶面的优势: 而 FA+ 离子会位于 (111) 晶面外部， 不会受到 OAS 阳离子的阻碍， 使得 (111) 晶面能够自由生长， 最终获得了 (111) 晶面主导的钙钛矿薄膜。

OAS 阴离子的作用: OAS 阴离子会减缓钙钛矿的生长速度， 延长 (100) 晶面生长的抑制时间， 进一步促进 (111) 晶面的形成。

最终， 他们制备的 (111) 晶面主导的钙钛矿薄膜展现出更高的稳定性以及更高效的光电转换特性， 在太阳能电池中实现了 25.23% 的光电转化效率， 显着高于那些由混合 (111) 和 (100) 晶面组成的薄膜的效率。

【精密的操控: 解开(111) 晶面薄膜制备背后的奥秘】

为了对钙钛矿太阳能电池的性能进行精确的测量， 该团队使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪 以及 SS 系列 AM1.5G 太阳光仿真器。

QE-R 设备能够在不同的波长下测量电池的外量子效率 (EQE)， 精确地分析钙钛矿材料的光电转换特性。

SS 系列太阳光仿真器 可以模拟真实太阳光照射条件， 确保对电池性能的准确评估。

然而， 钙钛矿太阳能电池在研发过程中仍然面临一些瓶颈问题：

l   稳定性问题: 钙钛矿材料对湿气、 氧气和光照敏感， 容易发生降解， 导致器件性能快速下降。 如何提高钙钛矿薄膜的长期稳定性仍是一个重大挑战。

l   材料毒性: 钙钛矿材料中常用的铅元素对环境和人类健康可能造成潜在危害。 寻找无铅或低毒性替代材料是当前研究的重点之一。

l   制造工艺控制: 钙钛矿薄膜的制备需要高度精确的工艺控制， 以确保薄膜的均匀性和质量一致性。 在大规模生产中， 实现稳定可靠的工艺控制仍需进一步探索和优化。

l   界面工程: 钙钛矿太阳能电池的性能受制于各层界面的质量和相互作用。 优化各层界面的接触特性、 降低界面缺陷和提高界面稳定性是提升器件性能的关键。

l   电荷传输和收集效率: 尽管钙钛矿材料具有优异的光电特性， 但电荷传输层和收集层的选择和优化仍需深入研究， 以进一步提升器件的整体效率和稳定性。

l   规模化生产技术: 如何将实验室中的高效制备方法转化为适合工业化大规模生产的工艺， 需要在设备、 工艺参数和材料选择上进行大量研究和试验。

l   封装技术: 有效的封装技术对于保护钙钛矿太阳能电池免受外界环境影响至关重要。 如何实现低成本、 高效率的封装是商业化应用中的一个重要课题。

l   标准化和一致性: 不同研究团队之间的实验方法和评价标准可能存在差异， 导致研究结果的可比性和一致性问题。 建立统一的测试和评价标准有助于推动钙钛矿太阳能电池的进一步发展

【开拓新的方向: 助力钙钛矿太阳能技术应用】

该研究团队通过精确控制有机铵盐的添加量和使用不同的退火条件， 成功地实现了对钙钛矿薄膜 (111) 晶面的定向调控。 他们不仅为提高钙钛矿太阳能电池效率提供了新的解决方案， 同时也为研究者更好地理解钙钛矿薄膜的生长过程提供了重要的研究方向。 他们的研究成果将为钙钛矿太阳能电池的大规模应用做出更大贡献。

中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队在钙钛矿太阳能电池研究方面取得了突破性进展。 他们成功地实现了 (111) 晶面主导的钙钛矿薄膜的制备， 显着提升了太阳能电池的效率和稳定性。 这一研究成果为钙钛矿太阳能电池的未来发展提供了重要的指导和参考。

重要技术参数：

钙钛矿太阳能电池效率: 25.23%

关键技术: 添加剂策略控制， 促进 (111) 晶面生长

关键设备: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪 和 SS 系列 AM1.5G 太阳光仿真器

参考文献

Dominating (111) Facets with ordered stacking in Perovskite Films_ Energy Environ. Sci., 2024_ DOI: 10.1039/D4EE01863J

【本研究参数图】

Fig. S23 基于不同molar ratios钙钛矿薄膜器件的J–V曲线：(a) BAI与PbI2和(b) BAAc与PbI2

Fig. S25 显示了控制组、添加BAI和BAAc后的光电转换效率（EQE）和积分光电流密度（Jsc）

Fig. S26 控件、添加BAI和添加BAAc的钙钛矿太阳能电池（PSC）的Voc对光强度依赖曲线

推荐设备

1.     QE-R_光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案

具有以下特色优势：

高精度: QE-R 系统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。

宽光谱范围:QE-R 系统的光谱范围覆盖紫外到近红外区域，适用于各种光伏材料和器件的 EQE 测量。

快速测量:QE-R 系统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。

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

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2.     SS-X系列_AM1.5G A+级太阳光仿真器

AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器

• A+ 光谱：接近 AM1.5G 标准光谱

• A+ 辐照度的时间不稳定性

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• 适合与手套箱集成的输出光束方向

IVS-KA6000：IV测量软件 所有 SS-X 系列太阳光模拟器都可以通过 IVS-KA6000 软件进行控制，该软件是 IV 测量软件，可用于准确的 PV 表征。不仅是光闸，输出光辐照度也可以通过 IVS-KA6000 IV 软件进行操控，帮助用户轻松完成不同光强下复杂的 IV 测试或 Sun- Voc测试。来自 IVS-KA6000 的所有 IV 数据都可以通过 IVS-KA-Viewer 读取和分析，这是另一款多功能分析软件。

KA-Viewer IV 分析软件 可以大幅缩短用户的数据处理时间，并可加快整体工艺改进研发的时程。

文献参考自 Energy Environ. Sci., 2024_ DOI: 10.1039/D4EE01863J

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