中科院杨德仁光伏器件效率26.27%採2Pbl2防钙钛矿解构

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光伏技术的新发表：无定形钝化层提升钙钛矿电池性能

1.  研究方法与表征设备分析

2. 非晶态(lysine)2Pbl2层展现高光电转换效率成果

光伏技术的新发表 ：无定形钝化层提升钙钛矿电池性能

近日，由中科院院士杨德仁团队、浙江大学王勇 及苏州大学宁为华 共同發表于Nature Communications  2024年第15期一突破性研究为高效钙钛矿太阳能电池的发展开辟了新路径。研究人员成功开发出一种新型无定形(赖氨酸)2PbI2钝化层，通过固相反应在钙钛矿薄膜表面和晶界处形成。这种无定形结构具有更少的悬挂键，能有效中和表面/界面缺陷，显着提高了电池效率。

与传统的晶态钝化材料相比，这种新型无定形层不仅降低了晶格应力，还作为屏障阻止有机成分的分解，抑制了钙钛矿的结构破坏，大幅提升了太阳能电池的稳定性。研究团队报告称，采用这种技术的钙钛矿太阳能电池效率高达26.27%（经认证为25.94%）。

图 3 .光伏和器件特性

(a) PbI?-FACsMA和amo-FACsMA器件的J-V曲线，电池有效面积为0.09 cm2。

• JscJsc：25.83（PbI?-FACsMA），25.84（amo-FACsMA）

• VocVoc：1.104（PbI?-FACsMA），1.184（amo-FACsMA）

• FF：0.831（PbI?-FACsMA），0.858（amo-FACsMA）

• PCE：23.72%（PbI?-FACsMA），26.27%（amo-FACsMA）

• FF：0.739（FACsMA），0.806（amo-FACsMA）

• PCE：21.38%（FACsMA），24.93%（amo-FACsMA）

研究方法与表征设备分析

研究团队在研究过程中，透过阶段式的研究手法逐一量测并验证该研究理论的可行性

1.    材料合成与制备：研究团队合成了含赖氨酸的钙钛矿薄膜，通过固态扩散和反应过程，制备了不同赖氨酸扩散时间的薄膜样品。

2.    薄膜沉积：使用旋涂或蒸镀等方法将制备的钙钛矿材料沉积到基底上，形成薄膜。

3.    太阳能电池装置制作：将制备的钙钛矿薄膜整合到太阳能电池装置中，包括添加其他必要的层，如电极、传输层等。

4.    稳定性测试：对制备的太阳能电池装置进行稳定性测试，评估其在不同条件下的性能变化。

5.    效能测量：使用标准的测试条件（如AM1.5G光谱、25°C）来测量太阳能电池的效能参数，如转换效率、短路电流、开路电压等。

6.    操作条件下的性能评估：可能进行了最大功率点（MPP）追踪测试，以评估太阳能电池在实际操作条件下的性能。

要得到器件的优化进程，各项的表征设备，使得量测过程中得到更稳定的论证外，更帮助研究团队有效地了解器件提升的状态及进一步优化的可能性。
常见的表征设备如: 紫外可见光谱仪（UV-vis）：可用于分析材料的光吸收特性; X射线绕射仪（XRD）分析材料的晶体结构，并确定材料的晶相和晶格参数; 扫描电子显微镜（SEM）可观察材料的表面和截面形态，提供微观结构的影像; X射线光电子能谱仪（XPS）可确定元素的化学结合环境。另外，傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）通过红外吸收光谱来识别材料中的化学组分; X射线吸收光谱仪（XAS），包括X射线吸收近边结构（XANES）和扩散X射线吸收精细结构（EXAFS）; 时间解析光致发光系统（TRPL）：可测量材料的载流子寿命，研究激子动态和材料的缺陷密度; 电容频率分析仪则应用于评估太阳能电池装置中的陷阱状态和载流子动态。

其中，太阳光模拟器和电流-电压（J-V）测量系统在太阳能电池的表征量测中极其重要原因如下：

1.    性能评估：J-V测量是评估太阳能电池性能最直接的方法。通过J-V曲线，可以获得关键的电池参数，如开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）和光电转换效率（η），上述参数综合反映了太阳能电池的整体性能。

2.    标准化测试：太阳能仿真器提供标准化的光照条件（如AM1.5G光谱、1000 W/m2的辐射强度），确保测量结果的可比性和重复性。这对于比较不同材料、结构或制程的太阳能电池性能至关重要。

3.    缺陷识别：J-V曲线的特征，如S形曲线、低填充因子或低短路电流，可以指示太阳能电池可能存在的缺陷，如电荷复合、电流泄漏或系列电阻过大。

4.    稳定性分析：通过连续的J-V测量，可以监测太阳能电池在不同环境条件下的长期稳定性，了解其性能衰退的速率和机制。

5.    优化与改进：J-V测量结果可用于指导太阳能电池的进一步优化和改进，帮助研究人员识别性能瓶颈并寻找解决方案。

6.    认证与商业化：对于商业化产品，J-V测量是产品认证和质量控制的重要步骤。通过J-V测量获得的数据可用于产品卷标和市场推广

本研究采用光焱科技-SS-X系列 AM1.5G 3A+级太阳光模拟器 搭配IVS-6000的量测软件，及QE-R量子效率解决方案，使表征的参数可透过软件经简单导入后，进行交叉分析，作为表征过程中轻松且具有效率的量测模式。

光焱科技作为创新科技，致力于提供精准表征解决方案，采用先进的表征技术及具有效率的量测程序，助力研究团队获得高质量且精准实验数据。进一步协助国内研究团队在国际学术舞台上展现优秀成果，提升学术影响力。
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非晶态(lysine)2Pbl2层展现高光电转换效率成果

研究成员通过多种实验方法证实了无定形（赖氨酸）2PbI2层增强了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率及稳定性：

1.    效率提升：研究人员通过测量太阳能电池的电流密度-电压（J-V）特性和量子效率（EQE），证明了无定形（赖氨酸）2PbI2层导致的光电转换效率提升。与参考设备相比，采用无定形（赖氨酸）2PbI2层的设备展示了更高的功率转换效率（PCE），达到了26.27%，并且具有更好的开路电压（Voc）和填充因子（FF）。

2.    缺陷密度降低：研究人员观察到无定形（赖氨酸）2PbI2层降低了非辐射复合，这与缺陷密度的降低相对应。此外，无定形（赖氨酸）2PbI2层降低了陷阱能量深度和缺陷密度，这对提高电池效率至关重要。

3.    稳定性增强：研究人员通过长时间的储存寿命和操作稳定性测试，证明了无定形（赖氨酸）2PbI2层对钙钛矿太阳能电池稳定性的正面影响。在连续照明和/或加热2000小时后，无定形（赖氨酸）2PbI2层抑制了钙钛矿的解构，而参考设备则出现了PbI2杂质峰，表明其稳定性较差。

4.    抑制有机组分分解：无定形（赖氨酸）2PbI2层作为屏障，防止了有机组分的分解，这有助于维持钙钛矿结构的完整性，进一步提高了太阳能电池的稳定性。

5.    结构和组成分析：无定形（赖氨酸）2PbI2层的结构和组成信息，证实了其作为有效钝化层的特性。

综合上述实验结果，研究证实了无定形（赖氨酸）2PbI2层在增强钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性方面的有效性。

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文献参考自Nature Communications.2024_ DOI: 10.1038/s41467-024-51551-y

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