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Joule 26.17%效率突破_港城大Alex Jen & 南科大许宗祥团队
2024/06/11 17:46
阅读：15
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方案摘要：
产品配置单：
光焱科技QE-R量子效率系统
型号： QE-R
产地： 台湾
品牌： 光焱科技
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方案详情：
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。近年来，PSCs 的效率不断提升，并不断刷新着世界纪录。
南方科技大学许宗祥教授团队与香港城市大學Alex K.-Y Jen教授团队合作，近期取得重大突破，成功研发出一种新型自组装单分子层 (SAM) 材料，并将其应用于倒置钙钛矿太阳能电池，实现了惊人的 26.17% 的能量转换效率 (PCE)，创下了新的世界纪录。 这一研究成果发表在国际顶尖期刊《Joule》上。
突破的关键：自组装单分子层材料
自组装单分子层 (SAM) 材料，在钙钛矿太阳能电池中扮演着重要的角色，可以有效地调节电极的功函数，促进电荷的提取和传输，提升器件的性能和稳定性。其中在界面修饰上，改善钙钛矿层与电极之间的界面接触质量，有效减少界面缺陷和不连续性; 能级对齐，优化电荷的注入和传输效率;能抑制离子迁移，在界面上形成紧密的分子排列，限制离子的迁移路径; 减少非辐射复合，在钙钛矿层与电极之间形成均匀的复盖层，减少界面处的非辐射复合损失，有助于提高光电转换效率; 防止湿气侵入，阻止湿气和氧气侵入钙钛矿层，从而提高电池的耐候性和长期稳定性。增强机械稳定性，通过分子间的相互作用增强钙钛矿层与电极之间的粘附力，提高整个器件的机械稳定性，减少在加工和使用过程中可能出现的分层或裂纹现象。
传统上，商业化的 SAM 材料，如 Me-4PACz，通常采用灵活的烷基链作为连接基团，这会导致分子排列不规则，影响材料的稳定性和电荷传输效率。
Me-4PACz（4-苯基胺甲基二磷酸酯）和 Me-PhpPACz（苯基化的4-苯基胺甲基二磷酸酯）两种用于优化钙钛矿太阳能电池界面的自组装单分子层（SAM）材料差異性:
· 分子结构：
Me-4PACz：含有一个简单的4-苯基胺甲基基团，结构相对简单。
Me-PhpPACz：在 Me-4PACz 的基础上进行了苯基化处理，使得分子结构更加复杂，具有更大的分子体积和更复杂的分子间相互作用。
· 表面修饰效果：
Me-4PACz：能够有效修饰电极表面，但其修饰效果受限于其简单的分子结构，可能无法充分覆盖或优化界面。
Me-PhpPACz：由于苯基化处理，能够提供更好的界面覆盖和修饰效果，从而进一步优化界面性质。
许宗祥教授团队与香港城市大學Alex K.-Y Jen教授团队合作，通过将 Me-4PACz 中的柔性烷基链替换为刚性、共轭的亚苯基环，成功合成了一种新型的 SAM 材料：Me-PhpPACz。这种结构上的改进，赋予了 Me-PhpPACz 更加优异的性能：
l 更高的分子密度： 由于亚苯基环的刚性结构，Me-PhpPACz 分子在基底上排列更加紧密，形成更加致密的薄膜，有效地减少了器件的漏电流，提升了其稳定性。
l 更强的电荷传输能力： 共轭亚苯基环的引入，增强了分子间的电荷传输效率，提高了器件的填充因子，进而提升了其能量转换效率。
l 更低的功函数： Me-PhpPACz 的引入，可以有效调节电极的功函数，促进空穴的提取，提高器件的开路电压。
突破性的成果
这项研究最终取得了突破性成果：
l 使用 Me-PhpPACz 材料的倒置钙钛矿太阳能电池，能量转换效率 (PCE) 达到惊人的 26.17%，并获得 NREL 认证的稳态效率。
l 器件表现出非凡的长期稳定性，在 65°C 的环境温度下，连续运行超过 1200 小时，仍保持 95% 的初始效率。
反式钙钛矿太阳能电池的近3年研究突破论文
近年来，倒置钙钛矿太阳能电池的研究取得了突破性进展，以下是一些代表性的论文：
2021年： Nature. 25.2% Pseudo-halide anion engineering for α-FAPbI3 perovskite solar cells, PI： J. Y. Kim (UNIST韩国科学技术院)
2022年： Nature Photonics. 23.91% Quantum-size-tuned heterostructures enable efficient and stable inverted perovskite solar cells, PI： Edward H. Sargent (多伦多/西北大学)
2023年： Science.24.09% Engineering ligand reactivity enables high-temperature operation of stable perovskite solar cells, PI： Edward H. Sargent (多伦多/西北大学)
2024年: Science. 26.14% Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands, PI: Edward H. Sargent (多伦多/西北大学)
未来展望
許宗祥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辟了新的道路。未来，研究人员将继续探索更有效的缺陷管理和離子渗透阻挡策略，并结合先进的表征手段和模拟计算，进一步提高钙鈦礦太陽能電池的效率和稳定性，推动该技术走向商业化应用。
Fig. 4. 反式过氧化物太阳能电池的光伏性能(A) 器件结构以及经过 10 ps AIMD模拟。
(B）Me-PhpPACz 器件的横截面 SEM 图像。
(C）基于 Me-4PACz 和 Me-PhpPACz 的 PSC 的 J-V 曲线（数据 S1.C）。基于Me-PhpPACz），（D）Me-4PACz 和基于 Me-PhpPACz 的 PSC 以及集成 JSC 在 AM 1.5G 标准频谱上的 IPCE 曲线，（E）器件 FF S-Q 限制，包括电荷传输损耗和非辐射损耗；（F）基于 Me-4PACz 和 MePhpPACz 的 PSC 在 0.01-2,000 mA/cm2 范围内的 EQEEL 和 EL 图像，以及 (G) 在 N2 和模拟 1 sun AM 1.5G 光照下跟踪未冷却器件的 MPP（工作温度达到 50C G 10C）。温度为 50C G 10C)
原文出处: joule _ DOI
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自动设备加速平台搭载量子效率表徵设备精准操控工艺参数，常温常压下实现超23%
太阳能电池是实现可持续发展的重要途径， 但传统的硅基太阳能电池在效率提升方面面临挑战，难以充分利用全部光谱。 近年来，钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本和制备工艺简单等优点，备受关注。 但是， 钙钛矿材料的稳定性问题以及复杂的环境因素， 一直是阻碍其大规模应用的关键问题。 为了突破这些限制， 科研人员不断探索新的方法， 以提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。 然而，传统的制备方法通常依赖人工操作， 无法精确控制所有关键参数，导致重复性差、效率不稳定。 近期，德国埃尔朗根-纽伦堡大学材料科学系 Christoph J. Brabec 教授团队在Energy & Environmental Science 杂志发表了一篇突破性研究成果， 他们使用全新的 “自动设备加速平台" (DAP)， 精确地操控了钙钛矿太阳能电池制备的关键参数， 并在常温常压的环境下成功地将电池效率提升至23% 以上。
能源/新能源
2024/07/12
跨校合作使用量子效率量测发表钙钛矿太阳能电池大面积模块化生产
钙钛矿太阳能电池（PSC）凭借其高效率、低成本、易制备等优势， 成为近年来光伏领域具潜力的下一代光伏技术之一。 但目前， 钙钛矿太阳能电池的小尺寸器件已取得重大突破， 但在向大面积模块化生产发展过程中仍存在不少挑战。 制备大面积模块需要更长的时间， 这对薄膜的沉积和制备工艺提出了更高要求， 同时也对材料的稳定性和加工窗口提出了挑战。 近三年来，钙钛矿太阳能电池大面积模块化的研究进程主要集中在提高效率、稳定性和可制造性方面。 近日，由西安电子科技大学常晶晶教授，联合洛桑理工学院 Mohammad Khaja Nazeeruddin 教授团队和西北工业大学李祯教授团队在Energy & Environmental Science 杂志发表了突破性研究成果。 该团队通过巧妙地将 N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂与冷却策略相结合， 在两步沉积法中获得了更稳定的基于 FA 的钙钛矿中间相， 从而实现了更长的退火窗口。
能源/新能源
2024/07/12
AM1.5G A+级太阳光模拟器及量子效率量测提升全聚合物太阳能电池效率
全聚合物太阳能电池(all-PSCs)凭借其出色的稳定性和机械耐用性，被认为是未来太阳能电池应用的重要方向。全聚合物太阳能电池主要由供体和受体两种有机聚合物材料组成，其基本结构包括以下： l 透明导电电极： 通常由氧化铟锡（ITO）制成，用于光的透射和电子的导电。 l 电子传输层： 提高电子从活性层向电极的传输效率。 l 活性层： 由供体和受体材料组成，是光生电荷的主要产生区域。供体材料吸收光子产生激子（电子-空穴对），激子在受体材料处分离成自由电子和空穴。 l 空穴传输层： 提高空穴从活性层向电极的传输效率。 l 金属电极： 通常由银或铝制成，用于收集和导出电荷。 近年来，全聚合物太阳能电池的研究发展迅速： l 材料发展: 随着非富勒烯受体材料的快速发展，APSCs的光/热稳定性和柔韧拉伸性能显着提高。 l 转换效率: 研究显示，聚合物太阳能电池的转换效率已突破10%，这使其成为一种有竞争力的替代传统硅基太阳能电池的技术。 l 机械灵活性: APSCs表现出优异的透明性、溶液加工性和机械灵活性，使其在柔性电源系统中有广泛应用前景。 然而，由于其效率长期落后于小分子受体基太阳能电池，限制了其进一步发展。如何有效平衡并提升开路电压(Voc)和短路电流密度(Jsc)成为全聚合物太阳能电池领域的一大难题。 近期，香港科技大学颜河教授团队在国际顶级期刊 Energy & Environmental Science 上发表了突破性研究成果， 成功开发了一种名为PYO-V的新型聚合物受体， 它可以通过调节分子结构， 实现更宽的光谱吸收和更高的能量级， 从而有效提升了全聚合物太阳能电池的性能， 并实现了高效的多功能光伏应用。 颜河教授是香港科技大学化学系教授，长期致力于有机光伏材料与器件方面的研究， 在国际著名期刊发表了200余篇高质量学术论文。 他的团队致力于突破现有全聚合物太阳能电池的技术瓶颈， 为下一代高效稳定的光伏器件的开发提供新的思路和方向。
能源/新能源
2024/07/12
北卡教堂山分校黄劲松研发出强化屏障有效提高稳定性
钙钛矿太阳能电池（PSC）作为下一代光伏技术的重要候选者，近年来取得了飞速的发展， 其光电转换效率已经接近甚至超越了传统晶硅太阳能电池。 然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题依然是制约其商业化应用的关键难题。 反向偏压（reverse bias）对钙钛矿太阳能电池的稳定性有着重要影响， 它可能导致钙钛矿材料分解， 进而影响电池的长期稳定性。 因此，理解反向偏压对钙钛矿结构和性能的影响是提高电池稳定性的重要研究方向。 研究人员需要深入了解反向偏压条件下钙钛矿材料的降解机制， 以找到提高其稳定性的解决方案。 研究反向偏压下的降解机理能帮助科学家找出钙钛矿太阳能电池的弱点。 这些研究有助于设计更加耐用的材料和结构， 以防止电池在反向偏压条件下快速降解。 同时，反向偏压会导致效率损失，这主要是由于电荷载流子的再结合速率增加以及可能的渗透电流增大。 了解和克服这些问题对于保持高效率运行的钙钛矿太阳能电池至关重要。 研究反向偏压对电池的影响还有助于改进封装技术， 防止环境因素（如湿气和氧气）在反向偏压条件下对钙钛矿材料造成的影响。 近期，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授团队在国际顶尖期刊《Nature Energy》上发表了一项重要研究成果， 揭示了钙钛矿太阳能电池在反向偏压下失效的机理， 并通过构建强化屏障， 显着提高了钙钛矿太阳能电池在反向偏压下的稳定性。
能源/新能源
2024/07/11
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