开创未来能源河南大学KAUST提高碳电极钙钛矿太阳能电池效率

钙钛矿太阳能电池（PSC）因其出色的光电转换效率、低廉的生产成本以及简便的制造工艺，近年来成为光伏技术研究的热门方向。钙钛矿材料具有优异的光吸收特性和可调节的能带结构，使其在光伏领域展示出巨大潜力。传统的PSC多采用金属电极（如金、银等），虽然这些金属电极能够提供良好的导电性，但其高昂的成本和复杂的制备工艺限制了大规模应用。

为了降低生产成本并提升器件的柔性可加工性，研究人员逐渐将目光转向碳材料电极。碳电极不仅价格低廉、资源丰富，而且在高温和湿度等恶劣环境下表现出更好的稳定性。此外，碳材料的多样性和可加工性使其能够适应柔性太阳能电池的需求，进一步拓宽了PSC的应用前景。

尽管如此，如何提升碳电极钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍然是该领域面临的一个重大挑战。当前的研究主要集中在优化碳电极的结构、改进钙钛矿层的质量以及提升电荷传输效率等方面。通过与国际研究机构的合作，如河南大学与中东地区的KAUST联合攻关，科学家们正在不断探索新的方法和材料，力求突破效率瓶颈，推动钙钛矿太阳能电池技术的进一步发展。

碳电极钙钛矿太阳能电池的结构主要包括以下部分:

l  基底材料: 通常是玻璃或者柔性塑料。

l  导电氧化物层: 例如FTO（掺氟氧化锡）或者ITO（氧化铟锡），用于作为底电极。

l  电子传输层（ETL）: 例如二氧化钛 (TiO?) 或氧化锌 (ZnO)， 用于电子的传导。

l  钙钛矿吸光层: 通常为有机-无机杂化钙钛矿材料， 例如甲胺铅碘 (MAPbI?)。

l  空穴传输层（HTL）: 例如聚噻吩 (PEDOT) 或氧化镍 (NiO)， 用于空穴的传导。

l  碳电极层: 碳电极可以通过涂覆、 印刷或者喷涂的方法沉积在空穴传输层上。

近期， 河南大学谭付瑞 等科研人员在 Nano Micro Small 期刊上发表了一篇重要研究成果， 他们在碳电极钙钛矿太阳能电池领域取得了突破性进展。 研究团队通过对传统的空穴传输层材料聚（3-己基噻吩）（P3HT）进行精细的分子排列控制， 有效地提高了电池的性能。

【精准操控， 突破传统材料瓶颈， 提升碳电极钙钛矿太阳能电池性能】

Stefaan De Wolf教授 是沙特阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 太阳能中心的教授， 他的研究团队致力于提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性， 在该领域有着重要的影响力。

与一般3D钙钛矿太阳能电池的主要差异如下：

l  电极材料: 一般 3D 钙钛矿太阳能电池常用金属电极（例如金、 银）作为顶电极， 而碳电极钙钛矿太阳能电池使用廉价且稳定的碳材料。

l  成本和稳定性: 碳电极相对于贵金属电极成本更低， 并且在高温和潮湿环境下表现出更好的稳定性。

l  制备方法: 碳电极的制备可以更加简单和低成本， 适用于大规模生产。

l  设备性能: 由于碳电极的导电性和光学特性与金属电极不同， 可能会对太阳能电池的效率和光电转换性能产生影响。

研究团队指出， 传统使用的 P3HT 空穴传输层材料， 其分子通常会呈现出 “边缘取向" (Edge-on) 的排列模式， 导致其烷基侧链直接接触钙钛矿层， 阻碍了钙钛矿/P3HT 界面的高效电荷传输。 为了克服这一挑战， 该团队开发了一套协同策略， 通过添加剂和溶剂工程， 成功地将 P3HT 空穴传输层的分子排列模式转变为 “三维取向" (3D Orientation) 。 这种新的排列方式不仅提高了电荷传输速率， 而且增强了 P3HT 薄膜的抗湿性能， 同时也优化了 P3HT 材料与钙钛矿层的能级排列， 促进了载流子的收集和转移。

这项创新技术带来以下积极成果：

1.   高效载流子传输: 新排列的 P3HT 薄膜可以有效降低电荷传输阻抗， 使光生载流子能够更快速地转移到电极， 从而提高电池的短路电流密度。

2.   抗湿性提升: 改进的分子排列模式提高了材料的抗湿能力， 从而增强了电池的稳定性。

3.   优化能级匹配: 更精确的分子排列能够优化材料的能级排列， 促使电子或空穴更有效地从钙钛矿层传输到电极， 从而提升电池的开路电压和填充因子。

【创新合作，显着提高碳电极钙钛矿太阳能电池性能】

这项研究成果使得小面积 (0.04 cm2) 和 大面积 (1 cm2) 的器件分别取得了 20.55% 和 18.32% 的显着效率。

研究团队使用光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪 和 SS-X 系列 A+ 级太阳光模拟器 对所制备的碳电极钙钛矿太阳能电池进行了测试。

n   光焱科技的 QE-R 设备能够准确测量电池在不同波长下的外量子效率 (EQE)， 帮助研究人员更准确地分析材料的光电转换特性。

n   光焱科技的 SS-X 系列 A+ 级太阳光仿真器则能够模拟真实的阳光照射条件， 使研究结果更接近实际应用情况。

该团队的研究突破了碳电极钙钛矿太阳能电池领域一直存在的瓶颈， 为设计更高效的碳电极器件提供了新思路。 更重要的是， 这种新型材料结构也有望应用在其他光电器件中， 例如柔性器件和串联太阳能电池等等。

该研究团队成功地利用新策略， 将传统空穴传输材料的分子排列方式进行了优化， 从而提升了碳电极钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。 他们的研究成果 在探索新型高性能太阳能电池领域取得了重要进展， 未来将会为可再生能源的发展注入更大的活力。

重要技术参数：

小面积器件效率： 20.55%

大面积器件效率： 18.32%

关键技术: P3HT 分子取向调控

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 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 级太阳光模拟器

参考文献

Molecular Orientation Regulation of Hole Transport Semicrystalline-Polymer Enables High-Performance Carbon-Electrode Perovskite Solar Cells _Nano Micro Small. July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015

【本研究参数图】

Figure S1. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different solvent.

Figure S2. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different additive.

Figure S3. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different amount of additive.

Figure S23. a) PLQY values of the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (10mg/mL), PVK/Target P3HT (10mg/mL); b) PLQY values of the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (0.5mg/mL), PVK/Target P3HT (0.5mg/mL); c) Voltage loss originated from non-radiative recombination for the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (0.5mg/mL), PVK/Target P3HT (0.5mg/mL).

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。

多功能:QE-R 系统不仅可以进行 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.     SS-X系列 A+級太陽光模擬器

文献参考自Nano Micro Small. July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015

本文章为Enlitech光焱科技改写 用于科研学术分享 如有任何侵权  请来信告知