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南昌大学姚凯团队 全纹理叠層太阳能电池30.89%轉換效率
2024/06/21 11:26
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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：
近年来，钙钛矿/晶硅叠層太阳能电池 (tandem solar cells) 凭借其高效率和低成本等优势，成为光伏领域的研究热点。为了实现大规模的串联太阳能电池模块化生产，使用工业化 Czochralski 硅晶片制造的全纹理结构串联器件，将成为未来发展趋势。然而，传统用于调节钙钛矿界面性质的表面工程策略并不适用于微米级的纹理表面。
南昌大学的姚凯教授团队在 Angewandte Chemie International Edition 期刊上发表了一项最新研究成果，他们开发了一种全新的表面钝化策略，利用动态喷涂 (DSC) 技术将氟化噻吩乙胺配体均匀地涂覆在纹理硅表面，有效地抑制了钙钛矿的相变，并提高了器件的效率和稳定性。
何谓全纹理 PVK/Si 叠层太阳能电池的特性
钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的效率近年来不断攀升，已突破 25% 的瓶颈，但其长期稳定性问题仍然是阻碍其商业化应用的关键因素。为了克服单结器件的效率极限，研究人员将目光转向了串联太阳能电池。
传统方法的局限性
传统的表面工程策略通常使用旋涂法将配体涂覆在钙钛矿薄膜上，但这种方法难以实现对微米级纹理表面的均匀覆盖。此外，由于钙钛矿材料的敏感性，传统的旋涂方法可能会导致相变和缺陷的产生，影响器件的效率和稳定性。
钙钛矿/晶硅叠層太阳能电池 (tandem solar cells) 结合了钙钛矿材料的高效率和硅材料的低成本、高稳定性等优势，展现出巨大的应用潜力，其效率已超过 30%。为了实现大规模的串联太阳能电池模块化生产，使用工业化 Czochralski 硅晶片制造的全纹理结构串联器件，将成为未来发展趋势。
全纹理 PVK/Si 叠层太阳能电池的特性
全纹理钙钛矿/硅（PVK/Si）叠层太阳能电池通过在硅层和钙钛矿层表面引入微米级或纳米级的纹理结构，提升了光的捕获能力和减少了光的反射损失，从而显著提高了电池的光电转換效率。这些纹理结构通常由大尺寸的金字塔或其他复杂结构组成，有助於光的多次反射和散射，進一步增强光吸收。
l 光捕获效率高： 表面纹理结构增强了光的吸收，使更多的光子被转化为电能。
l 减少反射损失： 纹理表面能有效减少光的反射，提高入射光的利用率。
l 界面稳定性： 优化的表面结构和界面层有助於提高钙钛矿层和硅层之间的界面稳定性。
l 高轉換效率： 利用全纹理结构的 PVK/Si 叠层太阳能电池已經展示了接近 30% 的轉換效率，甚至更高。
全纹理 PVK/Si 叠层太阳能电池研究进展
近年来，许多研究团队致力于开发高效稳定的全纹理 PVK/Si 叠层太阳能电池，并取得了显著进展。以下是一些重要的研究成果：
发表年份 论文全名 主要作者
2018 Fully textured monolithic perovskite/silicon tandem solar cells with 25.2% power conversion efficiency C. Ballif
2023 Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Compatible Textured Silicon H. Tan
2023 Buried-Interface Engineering of Conformal 2D/3D Perovskite Heterojunction for Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Textured Silicon K. Yao
2023 Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells C. Ballif
2023 Inorganic Framework Composition Engineering for Scalable Fabrication of Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells H. Tan
突破性成果：全纹理串联太阳能电池效率再创新高
创新策略：动态喷涂技术助力表面钝化
该研究团队开发了一种全新的表面钝化策略，利用动态喷涂 (DSC) 技术将氟化噻吩乙胺配体均匀地涂覆在纹理硅表面。该技术具有以下优势：
l 均匀覆盖： DSC 技术可以实现对纹理表面的均匀覆盖，有效地钝化界面缺陷。
l 抑制相变： 氟化噻吩乙胺配体可以抑制钙钛矿的相变，并提高薄膜的结晶质量。16 平方厘米的开孔面积，效率达到 26.3%。
精准调控：三氟甲基取代，提升钝化效果
研究人员从分子工程的角度出发，通过理论计算和实验结果证实，引入三氟甲基取代基可以形成偶极层，增强配体与钙钛矿表面的相互作用，并优化能级匹配，从而实现更有效的表面钝化。
该团队利用 DSC 技术对氟化噻吩乙胺配体进行表面处理，成功制备了基于工业化硅晶片的全纹理钙钛矿/硅串联太阳能电池。最终，该器件实现了 30.89% 的认证稳定功率转换效率，创造了新的世界纪录。此外，封装的器件在连续光照 600 小时后仍能保持 97% 以上的初始性能，展现出优异的工作稳定性。
总结与展望
该研究成果为制备高效稳定的全纹理钙钛矿/硅串联太阳能电池提供了新的思路，为实现大规模的串联太阳能电池模块化生产奠定了坚实的基础。该研究团队利用动态喷涂技术和分子工程策略，实现了对钙钛矿界面缺陷的精准调控，并成功克服了传统表面工程策略在纹理表面应用的局限性。
未来，可以通过进一步优化配体分子和表面处理技术，进一步提升串联太阳能电池的效率和稳定性，推动其在光伏领域的广泛应用。
Fig S19. 控制组和 DSC 处理器件的高灵敏度 EQE 谱图。
Fig S20.在 1 个太阳光照下测量的 c-Si 异质结底部电池 (2.5 × 2.5 cm2) 的 J-V 曲线。 由于切割造成的损坏，与整个晶片相比，小尺寸底部电池的器件性能略低。
本参数采用光焱科技QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案
参考文献: Surface Molecular Engineering for Fully Textured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells. Angew. Chem
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l 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。
l 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。
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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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