北京理工陈棋晶体成核技术稳定钙钛矿/晶硅叠层电池均匀卤素分布

混合卤化物钙钛矿太阳能电池，尤其是钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池 (PSTs)，展现出巨大的潜力，但其长期稳定性，尤其是宽带隙 (WBG) 钙钛矿吸收体的稳定性，仍然是一个挑战。WBG 吸收体薄膜的晶体质量差和多晶取向导致离子迁移和相分离，从而降低器件寿命。
来自北京理工大学的陈棋团队于Science 2024年8月1日第6708期中发表研究中，着重于成核工程，通过促进 3C 相成核并控制前体组成，以获得具有优异晶体质量和纹理的 WBG 吸收体。这种方法有效减少了非辐射复合，增强了对热降解、离子迁移和相分离的稳定性。基于此，团队实现了在 1 cm2 和 25 cm2 活性区域中分别为 32.5% 和 29.4% 的高效率 钙钛矿/晶硅叠层电池，并在长期稳定性方面取得了显着突破。

导读目录

1.          晶体成核工程技术改善了各种老化应力的影响力  

2.          研究结果表征

3.          成果：结晶核工程有效提升高效叠层太阳能电池效率与长期稳定性  

晶体成核工程技术改善了各种老化应力的影响力

陈棋研究团队主要针对宽带隙WBG的特性进行优化的程序，通过在任何溴化物富集聚集和2H相形成之前，优先核化3C相，实现了宽带隙（WBG）吸收层的改善结晶性和强纹理，从而抑制了非辐射复合，增强了对各种老化应力的抵抗力。

1.          结晶质量和纹理特性：
改善宽带隙（WBG）吸收体的结晶性和纹理，解决因结晶质量差导致的问题，如多晶粒取向和晶面暴露。

2.          非辐射复合和能量损失：
减少非辐射复合，提高能量转换效率，通过准费米能级分裂（QFLS）和时间分辨光致发射（TRPL）来评估和改善载流子行为。

3.          溴化物分布和相分离：

解决因溴化物不均匀分布和相分离导致的问题，通过核工程促进3C相的成核，避免溴化物的迁移和相转变。

4.          晶体生长过程控制：
通过核工程和薄膜沉积技术，控制晶体生长过程，从而实现高度定向的晶体生长和改善的结晶质量。

实验步骤

1.          前驱体制备：

使用特定的化学试剂和溶剂制备钙钛矿前驱体，包括PbI2、PbBr2、CsI、MAI、FAI等。

将这些化学物质溶解在混合溶剂中，如DMF和DMSO的混合物，并在50°C下搅拌3小时直至溶解，然后过滤。

2.          添加成核剂：

在前驱体中添加不同浓度的长链烷基胺盐，如OAmI（烯丙基铵碘），以控制成核过程。

3.          旋转涂布：

将过滤后的前驱体溶液旋转涂布在合适的基板上，如石英、ITO或硅太阳能电池。采用特定的旋转涂布参数，如旋转速度和时间，以控制薄膜的厚度和均匀性。

4.          抗溶剂处理：

在旋转涂布过程中，使用抗溶剂（如氯苯）来促进薄膜的结晶和均匀性。

5.          真空淬火：

将涂布好的薄膜立即转移到自制的真空闪炉中，进行真空淬火处理，以进一步改进晶体的质量和均匀性。

6.          气体淬火：

在旋转涂布过程中，使用氮气流来淬火，促进薄膜的结晶。

7.          Slot-die涂布和真空淬火：

8.          使用Slot-die涂布技术，结合真空淬火，来沉积大面积的钙钛矿薄膜。

研究结果表征

研究团队采用综合性量测手法的应用一一进行验证，不仅帮助研究团队深入理解和改进WBG吸收体的结晶质量、稳定性和太阳能电池的整体性能，透过补充数据的记载中，了解到研究团队采用XRD和GIWAX用于评估多晶吸收体的结晶质量和纹理特性，从而理解晶体的生长和相转变过程;能量损失和载流子行为采用PL和QFL，量化能量损失，从而了解非辐射复合中心的数量; TRPL的量测用于研究WBG吸收体的载流子寿命，进一步评估非辐射复合中心的数量和影响。原位和离体PL测量，研究溴化物在退火过程中的分布和光稳定性，从而解决因溴化物迁移和相分离导致的问题; 原位GIWAXS测量，在程序化的退火过程中追踪晶体生长的实时变化，从而理解核工程对晶体生长的影响。

1. X射线衍射（XRD）：

2. 二维同步辐射掠入射宽角X射线散射（GIWAXS）：

3. 扫描电子显微镜（SEM）：

4. 紫外-可见-近红外（UV-VIS-NIR）分光亮度计：

5. 光致发光（PL）光谱：

• 使用PL光谱仪来测量钙钛矿薄膜的光致发光特性。PL光谱可以提供关于薄膜的能带结构、激子复合和缺陷的信息。

6. 准费米能级分裂（QFLS）计算：

• 通过PL强度的对比，计算准费米能级分裂的增强，从而评估电子-空穴复合情况和薄膜的电学性能。

7. 太阳能电池性能测试：

• 研究团队采用了光焱科技QE-R 量子效率量测设备进行测量单结和串联太阳能电池的电流-电压（J-V）特性，以及外量子效率（EQE）谱。这些数据可以用来评估太阳能电池的性能，如开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、填充因子（FF）和转换效率（PCE）。

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快速取得叠层太阳能电池量测步骤示意图

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图 S25. 单结 WBG 太阳能电池的光伏参数，包括 (A) 开路电压 (VOC)、(B) 短路电流密度 (JSC)、(C) 填充因子 (FF) 和 (D) 光电转换效率 (PCE)。这些电池的吸收层由不同浓度辛胺碘化物 (OAmI) 和真空淬火制备的前驱体制成。器件结构为 ITO/polyTPD/PFNBr/WBG 吸收层/C60/BCP/Cu。当 OAmI 浓度超过 1 mg/mL 时，很可能在晶界处存在一些非晶绝缘层，这会影响载流子提取，从而降低最终器件的填充因子。

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        图 S26. 叠层器件在 1.69 V 电压下的稳定功率输出       (SPO)
       
       

1. 稳定性测试：

• 对钙钛矿吸收层和太阳能电池进行热稳定性、光稳定性和长期稳定性测试。通过长时间的老化测试，评估材料和器件的稳定性。

o    针对本研究发表中另一项关注的核心" 稳定性和耐久性"，团队使用了光焱科技的SS-X系列太阳光模拟器进行环境压力与温度测试，在仿真环境中，通过全谱照明、操作温度等来评估设备的性能稳定性。另外，也进行了长时间操作稳定性测试：通过在最大功率点（MPP）条件下进行连续1-sun照明，来评估封装设备的长期稳定性，解决因热、光或电压引起的降解问题。

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快速取得叠层太阳能电池量测步骤示意图

成果：结晶核工程有效提升高效叠层太阳能电池效率与长期稳定性

研究团队透过各项痛点的突破及表征技术的应用验证上，成功地达成几项惊人的成果并获得Science的认证。

1.             核工程策略：通过在钙钛矿前驱体中添加长链烷基胺配体，促进了3C相的成核，避免了溴化物的不均匀分布和随后的相转变。

2.           结晶质量和纹理改善：实现了WBG吸收体的改善结晶质量和强纹理，从而减少非辐射复合，提高了能量转换效率和稳定性。

3.           高效率太阳能电池：

• 在1cm2和25cm2活性区域下分别实现了32.5%和29.4%的高PCE。

• 优化的封装PST在25°C和50°C下分别保持了98.3%和90%的初始PCE，显示出良好的长期运行稳定性。

4.          长期运行稳定性：

o     通过核工程和薄膜沉积技术，提高了太阳能电池在长期运行中的稳定性，特别是在不同温度条件下。

o     长时间操作稳定性测试显示，封装设备在1301和800小时后分别保持了初始PCE的98.3%和90%。

5.          大面积制造均匀性：

o     解决了大面积制造中的均匀性问题，实现了大面积WBG吸收体的均匀结晶质量和纹理，从而实现高效的大面积太阳能电池。

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文献参考自Science 1st Aug.2024_ DOI: 10.1126/science.ado9104

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