钙钛矿太阳能电池测试仪

编辑：高明审核：chen钙钛矿太阳能电池作为第三代新概念太阳能电池代表，近年来备受关注，这得益于其具备的种种优势，譬如：它采用溶剂工艺，可以在常温下制备，生产成本大大下降；柔性好、可大面积印刷，在光伏产业的应用有着为可观的前景；清洁廉价无限制，可为能源供应难题提供有效方案等等。不仅如此，钙钛矿太阳能电池之所以成为代表，一个更加备受瞩目的优势就在于——它的原料多为液态，可以用来制备大面积柔性电池及设备，在未来或许可以应用于可穿戴智能设备上，边走路边发电！这种在电影中才出现的镜头将来会成为日常，想想是不是就觉得很炫酷呢？但要想实现这一场景，还需解决三个难题，这也是钙钛矿太阳能电池尚未实现规模化商业生产的原因。哪三个问题呢？本次“前沿应用”栏目将带大家一探究竟~短寿之憾我们知道，对于电池来说，一个重要衡量指标就是使用寿命。钙钛矿电池实际生产和应用所面临的困难中，一个重要问题就是它的寿命只有短短数月，远远低于硅基太阳能电池，这也是其实现商业化面临的个问题。钙钛矿电池不够稳定，主要是因为钙钛矿电池对水、热、氧环境度敏感，使得电池结构不稳定，易产生不可逆降解。要延长钙钛矿电池的寿命就要提高稳定性，目前主要有两种方法，一种是采用复合型钙钛矿材料，提高其本身的稳定性，另一种就是找到合适的添加剂物质，来抑制钙钛矿材料的分解。目前关于这方面的研究已经紧锣密鼓地展开。就在今年1月份，欧洲薄膜太阳能电池研究联盟Solliance，TNO，imec和埃因霍温科技大学，就报道了一种采用工业工艺（溅射镀膜，狭缝涂布镀膜，原子层沉积和基于激光的互连）制造的封装钙钛矿太阳能电池模组，该模组经受既定的寿命测试，即耐光性测试，耐湿热测试和热循环测试，具有出色的稳定性。相信未来能有更多的方法能够应用于钙钛矿电池的分解问题解决。图片来源：pixabay效率之痛电池的效率是评价电池性能的另一个重要指标，在过去十年，钙钛矿太阳能电池的效率有不少提升。根据《科学》（Science）今年4月发表的一篇报道，钙钛矿太阳能电池的转换效率已经上升到26.7％，非常接近传统晶体硅太阳能电池的效率。但事实上，钙钛矿太阳能电池的转换效率依然有很大提升空间，这是因为转化过程中，通电的载流子会因为缺陷问题被卡住，从而降低电池效率。那么，什么是载流子寿命呢？它为何成为影响太阳能电池效率的重要指标呢？据HORIBA资深工程师Ben Yang博士介绍，钙钛矿太阳能电池产生的电能来源于电荷的分离、迁移和重组，其中电荷可以扩散多远、游离多久——即载流子寿命，很大程度上就决定了太阳能电池的效率。载流子寿命越长，电池的效率也越高。图片来源：pixabay既然载流子寿命如此重要，那如何提升载流子寿命呢？精确测量是步，通过不断测量找到效率低下的关键问题，进而改进。“荧光寿命测量是一种常用于表征载流子寿命的技术，通过测量电荷重组率，进而标定电池的效率。HORIBA为测量荧光寿命研发了相应的产品。” Ben Yang博士如是说道。DeltaFlex和DeltaPro荧光光谱仪是专门的测量荧光寿命的分析仪器，它们可以监测光收集过程的效率，通过仪器搭配的TCSPC系统，研究人员可以测量重组率。另外，使用HORIBA QuantaMaster™ 、Fluorolog和FluoroMax荧光光谱仪，并联合HORIBA-IBH 荧光寿命组件，还可以完成测试钙钛矿材料对不同光吸收的效率。tips：如果您想了解更多荧光光谱仪的解决方案，点击阅读原文提交需求，我们的工程师会尽快联系您~您也可以进入HORIBA微信公众号的图书馆栏目，查看下载更多解决方案。值得庆幸的是，同样是今年4月，《自然》(Nature)杂志发表了一篇论文，介绍了剑桥大学等机构合作成果——钙钛矿材料中影响载流子寿命的“缺陷”根源。相信通过精准的测量和缺陷根源的追溯，载流子的寿命将会一步步提升，钙钛矿电池的效率也会进一步改善图片来源：pixabay量产之难实现商业化后一个攻关的技术点，便是“量产”。要实现大规模生产，就必须将钙钛矿从实验室搬到工厂，这是其终走向市场的关键。然而目前几乎所有高效率的钙钛矿太阳能电池都是用旋涂法制备的，即将钙钛矿材料一般旋涂于金属氧化物骨架上进行制备。然而旋涂法难以沉积大面积、连续的液膜，在实验室中制备，尺寸只有几厘米大小，因此无法满足工业化的高吞吐量与规模化制备的要求。这就成为钙钛矿太阳能电池量产的一个难题。近年来，也出现了一些其他适用于规模化生产的制备方法，像是：刮刀涂布法、电沉积等等，尤其是刮刀涂布法，它的基底温度可控，因此在规模化制备高质量、大晶粒钙钛矿薄膜方法中脱颖而出。更值得欣慰的是由刮刀涂布法制备的钙钛矿太阳电池，效率也能达到20%，十分接近旋涂法制备的器件。未来通过不断地研究，相信它地效率能更进一步。图片来源：pixabay从上文可以看出，尽管短寿之憾、效率之痛、量产之难，这三点是制约钙钛矿太阳能电池快速走向市场的三个问题，但我们仍然对钙钛矿太阳能电池的发展前景抱有大的期待。目前众多公司投资钙钛矿产业就是证明，相信产学研结合的能够解决大规模制备技术的提升，帮助钙钛矿太阳能电池在商业化道路上大步迈进。没有什么不可能，只要我们勇突破！现在不妨设想一下，钙钛矿太阳能电池就在我们的穿戴设备上，比如涂覆在手机表面上，那是怎样的情形呢？我们再也不用担心手机没电了！开心吧？ 免责说明HORIBA Scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者提供或互联网转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，HORIBA Scientific 发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享，供读者自行参考及评述。如果您认为本文存在侵权之处，请与我们取得联系，我们会及进行处理。HORIBA Scientific 力求数据严谨准确，如有任何失误失实，敬请读者不吝赐教批评指正。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。 HORIBA科学仪器事业部HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案，如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术，旗下Jobin Yvon光谱技术品牌创立于1819年，距今已有200年历史。如今，HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的选择，之后我们也将持续专注科研领域，致力于为全球用户提供更好的服务。

导语：与其他光伏材料相比，钙钛矿太阳能电池在性能的提升方面表现出了惊人的速度。近期，来自德国柏林科技大学的Steve Albrecht等研究者在Science正刊中报道了一个单片钙钛矿/硅串联太阳能电池，其认证的功率转换效率高达29.15%，预计还会进一步提高。现如今，钙钛矿太阳能电池生产技术逐渐趋于成熟，生产设备也逐渐小型化和便捷化。继2009年和2012年的早期关键实验之后，人们对这些生产设备的兴趣激增，目前正在进一步优化它们的性能，并寻找可行的商业应用路线。本文，我们将带您看看钙钛矿太阳能电池材料的制造过程和相关技术。什么是钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池(PSC)顾名思义是由钙钛矿材料作为核心部件制备的太阳能电池。钙钛矿材料的种类很多，但它们都有ABX3的化学通式，其中A和B是阳离子，X是阴离子。在钙钛矿光伏材料中，B通常是金属阳离子，X是卤族元素，A可以是有机或无机阳离子。重要的是，这些成分必须以一种特定的几何结构排列，A穿插在阳离子BX6八面体的间隙。如下图所示。 钙钛矿太阳能电池材料晶格结构的3D示意图（中央亮斑为B，红色为X，蓝色为A） 钙钛矿是钙钛矿太阳能电池中吸收光的材料，它吸收光子并产生电子-空穴对。之后，这个电子-空穴对会分离（也可能不会，这是导致太阳能电池效率低下的原因），释放出电子和正电荷载流子。这些电子（负）和空穴（正）载流子分别被设备中的其他材料（传输层）收集，然后流出，在外部电路中产生电压。人们尝试用各种钙钛矿材料来制备PSCs，其中常见的是MAPbI3。这种材料由基铵正离子嵌入Pb2+离子和碘离子(I-)组成的八面体框架。钙钛矿光伏薄膜材料制备太阳能电池的制备过程主要分为薄膜的制备和后续的加工。后续的加工流程与硅基太阳能电池的后续加工有些类似，涉及到微纳加工与封装等流程，我们不做详细介绍。对于薄膜的制备技术目前主要有液体旋涂和真空镀膜两类。旋涂技术由于设备简单，易于快速搭建等特点很容易在实验室实现。但是其规模化拓展性较差，器件的重复性和稳定性以及与后续加工流程的兼容性等方面仍有不足。在真空镀膜方面目前较为流行的是采用物理气象沉积（physical vapor deposition—PVD），例如热蒸发等方式。对于热蒸发技术来说，在真空室中加热钙钛矿前驱体，使它们向上蒸发并覆盖在基片上。通过对过程的精细控制，形成所需的钙钛矿薄膜。热蒸发方法制备出的薄膜不仅性能出色，同时还能与太阳能电池制造过程中需要的其他过程具备良好的兼容性 (例如，传输层和金属接触层的沉积也经常使用PVD)。热蒸发制备方案概要以制备钙钛矿太阳能电池的常用材料MAI（methylammonium iodide）和PbI（lead iodide）为例，MAI蒸发温度约为150℃，而金属卤化物PbI需要400℃~500℃。这与常规的金属热蒸发相比温度低很多，但对热蒸发源温度控制的性要求较高。传统金属热蒸发更注重所能达到的高温（可达~1800℃），如果采用传统的蒸发源生长钙钛矿材料很容易导致温度过冲，制备的薄膜性能不稳定，甚至前驱体会瞬间挥发殆尽导致生长失败。钙钛矿光伏材料除了在较低温度下生长之外，沉积速率也是一个重要的控制变量。由于沉积速率并非温度的直接函数，钙钛矿材料在沉积时需要对每一个蒸发源的速率进行标定与检测。通常在热蒸发过程中，可以采用晶振探头来探测每一个蒸发源的蒸发速率。对于常规的金属热蒸发过程，材料从蒸发源沿着直线方向到达衬底，按照类似于标准分布函数的规律在衬底上沉积成薄膜。然而对于非常易挥发的材料，例如MAI，蒸发过程中会先在源上方形成较高的蒸气压，这会导致材料向侧方扩散，导致材料在腔体的其他部位形成非必要的沉积。因此，对于钙钛矿光伏材料的沉积过程必须控制得更加精密，否则MAI容易导致其他材料的晶振传感器被污染。专业的低温热蒸发技术与设备英国Moorfield 公司基于多年的薄膜设备生产经验发布了低温蒸发(LTE)技术和相关设备。这使得科研人员能够快速建立高性能的钙钛矿光伏薄膜沉积系统。Moorfield 公司用于钙钛矿太阳能电池制备的设备包括台式nanoPVD - T15A，以及功能增强型的落地式MiniLab系列。这样的低温热蒸发系统具有以下几方面的优点：● 低温蒸发源与控制器：超低的热容量，可选择主动水冷方案实现控制和小的温度过冲；基于传感器的PID反馈回路使得温度、功率或沉积速率可控。● 石英晶振传感器探头：水冷式，降低温度影响。专业设计和安装位置，在生长高蒸汽压钙钛矿前驱体时使信号“串扰”小化。● 真空系统：专业真空腔体设计和定制，包括可选的耐腐蚀泵组系统和预抽保护功能。● 过程控制：采用先进的自动过程控制器，允许多阶段程序设定操作，每个阶段包含单个或多个源蒸发（即共同蒸发），反馈回路控制每个源的速率。● 多功能配置：允许在一个系统上通过不同的PVD技术沉积钙钛矿和其他PSC涂层。此外，系统可以配备冷却或加热样品台，用于处理热敏感基片或在沉积期间/沉积后进行热处理。nanoPVD系统中的LTE蒸发源手套箱集成式系统虽然成品PSCs元件可以在大气条件下使用，但通常有必要在惰性气氛下进行器件封装制造。因为在后的保护涂层覆盖之前，湿气和氧气会对材料性能造成影响。因此，一些PSC制备工作通常在惰性气体(如纯氩气或氮气)的手套箱中进行。基于MiniLab 026和MiniLab 090平台的Moorfield LTE系统可以与手套箱集成，允许在惰性气氛中对衬底或样品进行加工处理。Moorfield可以提供整套的手套箱集成系统或与客户选定的手套箱进行集成。其中MiniLab 026系统可以与用户已有的手套箱进行现场的集成安装。Minilab090系统样品腔（左），与手套箱集成的系统（右）总结钙钛矿材料在太阳能电池方面表现出良好的前景，真空蒸发镀膜是一种很有前途的制备方法且容易实现工业化生产。用于钙钛矿薄膜制备的沉积系统需要进行优化设计，以提高薄膜材料的品质。Moorfield Nanotechnology公司具有雄厚的专业技术基础和先进的设备解决方案，包括全套LTE蒸发源、过程控制选件和完整的沉积系统。此外Moorfield Nanotechnology还提供其他多种材料制备的专业设备，例如磁控溅射、电子束蒸发、快速制备石墨烯的nanoCVD系统。台式高精度薄膜制备与加工系统新动态Moorfield 公司在中国科学院技术物理研究所的台设备安装成功，本次在技术物理研究所安装的是台式高性能二维材料等离子软刻蚀系统—nanoETCH。该系统对输出功率的分辨率可达毫瓦量，对二维材料可实现准确的逐层刻蚀，也可实现二维材料层内缺陷制造，此外还可对石墨基材等进行表面处理。该系统目前正处于技术培训阶段，不日将正式交付使用。中国科学院技术物理研究所安装的nanoETCH系统

什么是钙钛矿电池（PSC）？钙钛矿太阳能电池是一种类型的太阳能电池，是目前发展最快的太阳能技术。钙钛矿材料，如甲基铵卤化铅和全无机卤化铯，生产便宜且易于制造。使用这些材料的设备的太阳能电池效率从2009年的3.8％提高到2020年的25.5％。PSC具有实现更高效率和极低生产成本的潜力，现已成为商业上的吸引力。图1 钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图钙钛矿电池中的电子传输层（ETL）PSC 的效率和稳定性很大程度上取决于器件中选择作为电子传输层的材料的形态和类型。目前为止，PSC的电子传输材料主要有TiO2、ZnO等金属氧化物以及富勒烯等有机电子传输材料。ZnO是一种常用于钙钛矿太阳能电池中的电子传输材料。ZnO的优点是无需高温烧结，易于制备成大面积薄膜。应用于器件中的ZnO形貌结构主要有致密平面和纳米棒两种。利用扫描电镜观察ETL的纳米级别的样品形貌，成像清晰且具有立体感，通过调节放大倍数可以直观的观察样品的形貌、成膜质量、有无孔隙等。Thermo Scientific Apreo 2 SEM具有多功能性和高质量成像性能，采用了创新性的末级透镜设计，引入静电式末级透镜，支持镜筒内高分辨率检测。全新Apreo 2 SEM在原有性能基础之上，新一步优化了超高分辨成像能力，并且增设许多新功能提升其易用性。SmartAlign（智能对中）技术，不再需要用户手动进行调整操作，Flash自动执行精细调节工作，只需移动鼠标几次，就可以完成必要的透镜居中、消像散和聚焦矫正。图2 Thermo Scientific Apreo 2 SEM图3为用赛默飞场发射扫描电子显微镜Apreo 2S 在optiplan模式下拍摄的ZnO薄膜，由图（a）、（b）可见，制备出的膜层均匀致密、无孔隙。但（b）较（a）图片相比，噪点更少、分辨率更高。这是因为（b）较（a）参数上增加使用了样品台减速模式，使用减速模式后，电子束依然保持高电压，在试样台上加载一个负电位，电子在出极靴后受到负电位的作用而不断减速，最终以低能状态着落在样品表面。这样既保持了高电压的分辨率，又因为低着落电压而有很高的表面灵敏度。电子传输层的结构对钙钛矿薄膜质量和光学性能影响很大，从而影响钙钛矿太阳能电池的性能。由此可见，高质量的扫描电子显微镜是钙钛矿太阳能电池研发中检测、评估必不可少的设备。参考文献：[1]邓天郭, 高 云, 等.钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层及电子传输材料的制备研究.[2]钟敏等. 不同结构ZnO电子传输层对钙钛矿太阳能电池的影响.

p style="line-height: 1.5em " 近日，中科院大连物化所薄膜硅太阳电池研究组(DNL1606)刘生忠研究员和陕西师范大学杨栋研究员、冯江山博士等在柔性钙钛矿太阳能电池研究方面取得新进展。相关结果发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/13912dd6-243e-49a5-a1d3-5c5f9726bf07.jpg" title="W020180720292898136578.jpg"//pp style="line-height: 1.5em "　　柔性太阳能电池由于具有质量轻、便携带、易于运输、安装简单等优点备受关注。高性能柔性钙钛矿太阳能电池的关键部分是低温界面层和高质量钙钛矿吸光层。该团队前期通过开发低温界面层，在柔性钙钛矿电池中取得了一系列成果：2015年，利用室温磁控溅射法沉积氧化钛界面层，制备的柔性钙钛矿电池效率达到15.07%(Energy Environ. Sci.) 2016年，首次将离子液体作为界面层应用到柔性钙钛矿电池中，将柔性钙钛矿电池效率进一步提升到16.09%(Adv. Mater.)。/pp style="line-height: 1.5em "　　最近，该团队运用二甲硫醚作为添加剂，通过控制钙钛矿吸光层的结晶过程，得到晶粒尺寸较大、结晶性较好、以及缺陷态密度较低的钙钛矿薄膜，将柔性钙钛矿太阳能电池的效率提高到18.40%，同时将大面积(1.2cm2)柔性钙钛矿太阳能电池的效率提升到13.35%。另外，利用添加剂制备的钙钛矿吸光层稳定性得到显著增加，在35%的湿度下放置60天，电池的效率仍能保持86%的原有效率，而无添加剂制备的钙钛矿太阳能电池效率相同条件下仅可保持原有效率的50%。此项研究成果是目前柔性钙钛矿电池的最高效率，为柔性钙钛矿太阳能电池的发展奠定了实验和理论基础。/pp style="line-height: 1.5em "　　该研究工作得到国家重点研究与发展计划、中央高校基础研究基金、国家自然科学基金项目、111项目、国家大学科研基金、长江学者创新团队、国家“千人计划”项目的资助。(文/图 杨栋、段连杰)/ppbr//p

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍Laoss是一款用于设计、构建、仿真、优化钙钛矿/有机太阳能电池组件和OLED面板，对其热学、光学和电学性能进行仿真的软件。对于提高面板和组件效率、优化其性能、缩短研发周期、节省材料成本等有着具大的帮助。目前，针对中国科研单位用户，Fluxim 团队决定给予最大幅度的优惠，详情请与我公司联系。主要特点• 简单易用，快速有限元分析模拟仿真• 直观图像化用户界面以及Workflow• 普通计算机即可快速运行仿真计算• 具备可视化大范围输出数据及结果的功能分析方法• 基于电&热仿真的有限元分析法• 焦耳（电阻）加热的电热耦合• 强大的3D-Ray追踪光学模拟仿真计算，模拟&优化• 分析大面积组件/面板电极电损耗 for PV and OLED• 评估电极中的电流 for PV and OLED• 计算大型器件的 I-V 曲线 for PV and OLED• 优化太阳能电池组件效率 for PV• 计算组件/面板上的温度分布 for PV and OLED• 量化像素串扰效应 for OLED• 优化电极的几何形状 for LED and PV• 模拟缺陷和电分流对组件/面板的影响 for PV and OLED‍‍三大主功能‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍1.电学模块• 仿真大面积OLED面板和太阳能电池组件的特性(填充因子vs电导率，2D电位分布，电流密度，欧姆损耗，总输出功率等)• 优化OLED面板和光伏组件中的电极设计以减少电功率损失• 研究非理想效应（例如电分流）• 自动化优化电极的几何形状‍‍‍‍‍‍‍‍• 了解RGB OLED像素数组中的电串扰‍‍‍‍‍‍‍‍优化电极设计：电势图电极优化：电势图非理想效应（电分流）研究自动优化电极几何形状：输出功率vs钙钛矿太阳能电池的电极宽度OLED 像素数组中的电势图：层与层之间的漏电流造成OLEDs未正常工作‍‍2.热学模块• 模拟OLED面板或太阳能电池组件中的热学和电流（电热耦合）之间的双向相互作用• 在标准作业程序下计算OLED面板和太阳能电池组件中的温度分布• 分析由于电热耦合导致的OLED面板和太阳能电池组件中的非理想I-V特性曲线• 电热耦合可模拟热产生和电学性能两者之间相互作用‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍（1）具有六角形栅极的组件中的电位分布（2）对应(1)的温度分布（1）双向电热耦合相互作用引起的温度分布（2）模拟I-V特性曲线3.光学模块• 仿真研究具有复杂3D光学组件或表面纹理化的OLED面板和太阳能电池的组件• 通过构建独立的3D光学组件来仿真其对OLED面板和太阳能电池组件的贡献• 仿真OLED面板中的光学串扰• 可与SETFOS结合方便地分析光耦合几何特性‍‍仿真菲涅耳透镜或其他3D光学组件与太阳能电池或OLED耦合以提高效率光学串扰仿真曲面显示仿真更新后的4.1版本增加了以下功能1.交流模拟2.Laoss-Setfos整合集成一体化全面仿真3.金属栅线预定义：栅线数量、角度和base offset等4.预先定义像素形貌：XY方向像素数量5.几何设计导入和预定义几何设计6.可跳过在Laoss光学模块中切割三角形步骤7.固定偏振角 Phi 对于非偏振BSDFs8.关闭Laoss前检查改变参数，运行一个仿真或者加载一个不同的仿真9.Laoss光学：设定每个主要方向的独立边界形式10.Laoss光学模块：光谱图11.在XY结果图表中显示界面几何结构12.项目和模拟结果保存‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

p style="text-indent: 2em text-align: justify "近年来，钙钛矿太阳能电池因其高的转换效率、简单的制备工艺和低廉的制造成本受到了全球学术界和产业界的广泛关注，发展迅速。钙钛矿太阳能电池实际应用的重要瓶颈和关键问题在于如何实现低成本、大面积、高效率器件及解决稳定性的难题。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "在中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金委的支持下，中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室研究员胡劲松课题组科研人员在这一领域开展了相关研究，并于近期与相关合作者一起取得了系列新进展。他们开发了一种风刀涂布方法，实现了大面积钙钛矿薄膜、电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）的高质量涂布，在全程不需旋涂和反溶剂的情况下，获得了转换效率（PCE）可达20%以上的电池器件（图1），为高效率钙钛矿光伏器件的低成本规模化制备提供了一种思路。相关工作发表于Joule (DOI:10.1016/j.joule.2018.10.025)上。在HTL方面，开发了新型低成本、易制备的二维共轭有机小分子空穴传输材料OMe-TATPyr代替spiro-OMeTAD，实现了平均20%的PCE（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 10959）。在ETL方面，研究人员发现在无ETL时透明电极与钙钛矿薄膜间的费米能级差距减小，接触界面能带弯曲减弱，因此对光生电子的抽取及光生空穴的排斥作用同时减弱，使得电子在界面的转移效率急剧下降，导致载流子复合严重，器件PCE降低。这一新的理解提高了对钙钛矿光伏器件结构与异质结界面的认识，阐释了无ETL器件PCE低的原因。据此，他们提出通过延长载流子寿命来解决无ETL钙钛矿光伏器件转换效率低的新方案。发现当载流子寿命接近微秒时，无ETL器件的PCE可以接近传统p-i-n结构器件，并且获得了PCE为19.52%的无ETL钙钛矿光伏器件（图2）。这些结果有助于解决钙钛矿器件对传统器件结构的依赖问题，也为钙钛矿光伏技术的低成本规模化制备提供了多样化的选择。相关工作发表于Chem上（Chem, 2018, 4, 2405-2417）。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "　　钙钛矿电池的稳定性是其应用的瓶颈和关键。研究人员在钙钛矿层与HTL间引入高迁移率疏水共轭高分子界面层，一方面改善空穴的提取效率，另一方面可以有效阻隔湿气与传输层中添加剂对钙钛矿层的侵蚀，从而显著提高了钙钛矿太阳能电池的空气稳定性和光电转换效率（Solar RRL, DOI: 10.1002/solr.201800232，inside cover；Nano Res., 2018, 11,185-194）。相比于有机无机复合钙钛矿材料，纯无机钙钛矿材料表现出更优异的热稳定性。其中，立方相CsPbI3具有合适的带隙而备受关注，但其立方相室温下是热力学不稳定相，因此理解立方相CsPbI3在合成与器件制备过程中的相不稳定性机制，进而制备室温下相稳定的光伏相CsPbI3，对于其在光伏和光电领域中的应用具有重要意义。研究人员近期首次从原子尺度上观测到了极性溶剂会诱导立方相CsPbI3纳米晶晶格发生畸变，进而相变失稳，从实验和原理上解释了极性溶剂对立方相CsPbI3纳米晶稳定性的影响，揭示了极性溶剂诱导立方相CsPbI3纳米立方体相变的机制及其多级次自组装成单晶纳米线和微米线的机制（图3）。这一研究结果对理解立方相CsPbI3相不稳定机制提供了新的认识，并为立方相CsPbI3的制备及保存使用过程中的溶剂选择提供了指导。相关工作发表于J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11705–11715，并入选当期封面。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "在此基础上，研究人员发展了一种方法，通过高介电常数质子性溶剂控制CsPbI3钙钛矿前驱体结晶时的表面能，在不引入有机配体或进行金属/卤素掺杂的情况下，利用一步溶液沉积和低温退火工艺，获得了在室温下稳定的新光伏相-正交相g-CsPbI3薄膜。通过XRD精修确定了其晶胞参数，研究了薄膜的形成机制和能带结构，并构建了基于g-CsPbI3薄膜的平面异质结太阳能电池，获得了11.3%的PCE（图4），这是目前为止报道的全无机纯CsPbI3钙钛矿太阳能电池的最高效率。由于所得g-CsPbI3薄膜在室温下的热力学稳定性，电池表现出显著改善的长达数月的空气稳定性。该研究首次报道了室温下热力学稳定的新型正交光伏相g-CsPbI3薄膜及其高效率电池器件，为解决全无机CsPbI3钙钛矿光伏相室温下结构不稳定问题提供了全新的视角和思路。紧接上述极性溶剂对立方相CsPbI3纳米晶稳定性影响的工作，相关研究结果以全文形式发表于J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11716–11725。/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/f0d4fd56-3c93-4498-8a6b-2116edd0aad2.jpg" title="1.png" alt="1.png"//pp style="text-indent: 2em text-align: left "图1. 全程风刀涂布制备高效率钙钛矿太阳能电池/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/ffccfd44-cbfd-433a-8ac8-ba29e66f6683.jpg" title="2.png" alt="2.png"//pp style="text-indent: 2em text-align: left "图2. 高效率无电子传输层钙钛矿太阳能电池/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/94a0fedd-8d1f-40c2-9b2f-95eea8b72344.jpg" title="3.png" alt="3.png"//pp style="text-indent: 2em text-align: left "图3. 极性溶剂诱导立方相CsPbI3纳米晶的晶格畸变及其多级次自组装/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/ae415cdf-6e56-4dc1-832d-ba11459b3873.jpg" title="4.png" alt="4.png"//pp style="text-indent: 2em text-align: left "图4. 室温热力学稳定的正交光伏相g-CsPbI3薄膜及全无机钙钛矿太阳能电池/p

【重点摘要】由国家可再生能源实验室(NREL)的研究团队发表如何从校准实验室的角度来衡量钙钛矿基单片多接面太阳能电池的性能。对钙钛矿多接面太阳能电池进行精确的标准测试条件（STC）测量至关重要，但具有挑战性。提出了优化的测量方法，能够实现精确的性能特征化。标准化、与生产相关的量化协议持续进步是实现商业可行性的关键。【研究背景】钙钛矿多接面太阳能电池（PVSK MJs）在与硅能源电池结合时已经取得了显著的功率转换效率提升，效率超过30％。这些高效率是在标准测试条件（STC）下报告的，以便进行比较。准确的多接面太阳能电池在STC下的性能测量至关重要，但比单接面器件更加复杂，需要进行光谱模拟并限制每个子电池。需要谨慎的方法，因为快捷方式可能导致误导性的效率评级。【研究结果】提出的钙钛矿多接面太阳能电池的优化测量方法能够在标准测试条件下准确地表征电流-电压曲线和效率评级。通过调整模拟光谱和平衡每个子电池的电流，可以避免与快捷方法相比的误导性能评级。正在开发的高通量测量程序展示了减少测试时间一个数量级而不影响准确性。进一步改进加速测试协议并在研究团队间标准化方法可以促进持续的效率提升。在标准条件下准确评估效率仍然对评估新型多接面结构中的损失机制至关重要。【研究方法】准确测量PVSK MJ性能需要具有光谱可调的太阳模拟器来调节照射在器件上的光谱。测量过程包括确定每个子电池的光谱响应，调整模拟器光谱以实现电流匹配，并在STC下测量IV曲线和功率输出。讨论了在无法使用光谱模拟器时的常见错误和准确性评估方法。【结论】准确的标准测试条件（STC）下的钙钛矿基多接面太阳能电池测量需要具有光谱可调的太阳模拟器。优化的定量方法包括确定每个子电池的光谱响应，调整模拟器光谱以实现电流匹配，并在STC下精确测量功率输出。随着钙钛矿子电池的串联太阳能电池快速发展，防止误导性效率评级的需求使准确的标准测试量化变得更加迫切。最近更新的IEC 60904-1-1要求对于多接面测量中使用的模拟器提出了严格的规范，包括可调输出光谱范围为300-1700nm，符合AM1.5G标准，平均光谱不匹配率低于6％（A++等级）。这种最先进的设备克服了以往双源系统的可靠性问题。Enlitech的SS-PST利用创新的单氙弧灯基础的光谱控制，独特地满足这些新一代标准。Enlitech SS-PST在400-1100nm波长范围内的光谱偏差为11.2％，在300-1200nm范围内为13.1％。300-1700nm的输出光谱可以满足AM1.5G光谱的要求，平均光谱不匹配率低于6％（IEC 60904-9：2020）。输出光谱可调。校准设施采用这些先进工具有望有助于保持使用校准设备的各组报告性能值之间的一致性。朝着负担得起且标准化的定量技术取得进展是促进高效率多接面概念转化为具有商业竞争力的光伏产品的重要基础。可靠的准确测量消除了最终制造规模扩大和部署具有超越传统技术效率潜力的钙钛矿串联结构的障碍。Figure S1.左图：随着钙钛矿/Si串联电池顶部钙钛矿结构的辐照变化，VMPP、IMPP和ISC的变化。右图：二接面电池的示意IV曲线及其组成部分结构，其中顶部结构限制了电流。图S2. 左图：双结钙钛矿/钙钛矿电池的光电流-电压曲线。右图：顶部钙钛矿结构的辐照变化与双结钙钛矿/钙钛矿串联电池的VMPP、IMPP和ISC的关系。

钙钛矿太阳能电池(PSCs)作为新兴的薄膜光伏器件，通过最近10年的发展，光电转换效率从3.8%提升到了25.7%，展现出巨大的商业化应用前景。然而高效的n-i-p结构电池批次重复性和稳定性较差，成为钙钛矿电池产业化应用的关键限制。而目前研究人员对导致器件重复性和稳定性较差的原因理解还不够充分。 　　中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所马昌期团队系统地研究了n-i-p结构PSCs在空气氧化过程中的离子迁移行为。结果表明，Spiro-OMeTAD薄膜的氧化是通过非接触电化学方式进行的，其中，空气中的氧气和水分子作为氧化剂将Spiro-OMeTAD氧化，进而提高了Spiro-OMeTAD薄膜的导电性能。更为重要的是，这一氧化过程促使Spiro-OMeTAD层内的Li+向电池内部迁移并在SnO2/Perovskite界面富集。Li+离子的迁移与富集促进了Spiro-OMeTAD氧化并降低SnO2的LUMO能级，提高了器件内部的内建电场，并同时改善了钙钛矿/Spiro-OMeTAD以及钙钛矿/SnO2界面处的空穴和电子提取效率，进而提升了器件的效率(图1)。该工作为n-i-p型钙钛矿太阳能电池中Spiro-OMeTAD的氧化提供了完整的机理解释。相关成果以Synergetic Effects of Electrochemical Oxidation of Spiro-OMeTAD and Li+ Ions Migration in Improving the Performance of n-i-p Type Perovskite Solar Cells为题发表于Journal of Materials Chemistry A。 图1 n-i-p结构钙钛矿太阳能电池中Spiro-OMeTAD的电化学氧化过程中的Li+离子迁移机制 　　研究团队在后续研究n-i-p型钙钛矿太阳能电池工作稳定性过程中发现，钙钛矿电池在运行过程中会出现器件的突然失效(Catastrophic Failure)。通过光致发光(PL)成像分析确定短路位置发生在金属Ag电极的边缘。进一步通过SEM和TOF-SIMS分析证明了Ag+离子在器件边缘发生迁移扩散，而器件内部的电极以及钙钛矿薄膜却没有发生明显的变化。研究人员利用SEM表征了沉积在Spiro-OMeTAD上的Ag薄膜的形貌，结果表明由于Ag与Spiro-OMeTAD的不浸润性，边缘的Ag颗粒团簇尺寸比中心部分的尺寸更小、更疏松。基于此，研究团队推断器件突然短路失效的机制为：光照下钙钛矿薄膜分解并形成多碘化合物发生扩散并与电极边缘松散的Ag簇并发生反应而导致Ag电极被腐蚀，腐蚀产生的Ag+离子穿过Spiro-OMeTAD而向钙钛矿中迁移，最终在Ag电极和钙钛矿之间形成丝状电导，导致器件短路。基于此，研究团队在Spiro-OMeTAD上沉积一层MoO3薄膜，改善沉积Ag电极过程中Ag的生长，获得了边缘更加致密的Ag电极。此外，由于MoO3薄膜的引入使得Spiro-OMeTAD和Ag电极之间的空穴提取效率更高，避免了空穴在该界面的积累，进而有利于稳定性的提升，实现器件运行600h以上而不发生前述的突变失效(图2)，有效提升器件的稳定性能。相关成果以Revealing the Mechanism behind the Catastrophic Failure of n‐i‐p Type Perovskite Solar Cells under Operating Conditions and How to Suppress It为题发表于Advanced Functional Materials。 图2 钙钛矿电池运行过程中Ag+离子迁移引起的“突变失效”及MoO3的引入提高运行稳定性机制 　　虽然该结构电池的运行稳定性得到提升，但是该类光伏电池运行过程中初始几十个小时内往往存在效率的快速衰减过程(burn-in衰减)，严重降低了器件的稳定输出效率。针对该问题，研究团队通过器件结构设计及稳定性测试过程中器件内部离子分布、界面复合变化，证实该结构电池中的“burn-in”衰减与SnO2中Li+迁移至钙钛矿/空穴传输层界面有关。通过在SnO2/Perovskite界面引入一个薄层交联PC61BM(CL-PCBM)后可以抑制“burn-in”衰减。TOF-SIMS的结果证明了CL-PBM薄层可以将Li+离子固定在Perovskite/SnO2界面中，而且CL-PCBM的引入可以增加器件的内建电场并提高电子提取效率；最终在Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95Pb(I0.85Br0.15)3体系钙钛矿电池中获得了22.06%的效率，在光照下持续运行1000h后仍保留初始效率的95%，而参比电池仅保留75%；在FAPbI3体系钙钛矿电池中时，获得了24.14%的光电转换效率，同时也消除了“burn-in”衰减过程。这表明利用CL-PCBM界面修饰来消除“burn-in”衰减具有普适性。综上，通过降低器件工作过程中的Li+迁移可以大幅降低钙钛矿太阳能电池稳定性测试初期存在的“burn-in”衰减，提高器件的稳定输出功率(图3)。相关成果以Boosting Perovskite Solar Cells Efficiency and Stability: Interfacial Passivation of Crosslinked Fullerene Eliminates the "burn-in" Decay为题发表于Advanced Materials。图3 CL-PCBM界面修饰抑制Li+离子迁移提高器件效率并消除器件的“burn-in”衰减

近日，大连化物所太阳能研究部薄膜太阳能电池研究组(DNL1606组)杨栋研究员和刘生忠研究员团队采用电子传输层中氧空位缺陷填充的策略，制备出目前有文献报道的最高效率的柔性钙钛矿太阳能电池组件。 　　柔性钙钛矿太阳能电池由于具有质量轻，便携式，高功质比等优点被广泛关注。该团队长期致力于柔性钙钛矿太阳能电池中低温条件下制备高质量钙钛矿吸光层和电子传输层的研究。团队早期开发了可室温磁控溅射的TiO2电子传输层(Energy Environ. Sci.，2015)、可低温制备的固态离子液体电子传输材料(Adv. Mater. ，2016)，制备出高效率柔性钙钛矿太阳能电池。随后，团队通过开发二甲基硫醚添加剂延缓钙钛矿的结晶过程，提升钙钛矿吸光层的质量，再次提升了柔性钙钛矿太阳能电池的效率(Adv. Mater.，2018)。本工作中，团队利用紫外光照射产生的氧和羟基自由基处理SnO2电子传输层，降低了SnO2薄膜中的氧空位缺陷。研究发现，由于给电子羟基的引入使得SnO2的能级向上移动，有利于钙钛矿中电子的导出；羟基可以在SnO2和钙钛矿之间形成氢键，改善界面接触，提供电荷传输的通道；处理后SnO2表面的浸润性得到有效改善，更利于制备大面积均匀的钙钛矿薄膜。最终，团队制备出面积为36.50cm2的柔性钙钛矿电池组件，效率达到18.71%，这是目前有文献报道的柔性钙钛矿组件的最高效率。同时，柔性钙钛矿组件表现出良好得机械性能，器件在弯曲1000次后，仍可保持83%的原有效率。该工作提出了一种简单有效的界面处理方式，为促进高性能柔性钙钛矿电池组件的发展提供了有效途径。 　　上述工作以“Highest-Efficiency Flexible Perovskite Solar Module by Interface Engineering for Efficient Charge-Transfer”为题，于近日发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。该工作得到国家自然科学基金等项目的资助。

对于希望在重要科学期刊上发表的钙钛矿太阳能电池研究者来说，某些仪器对于生成高质量、可发表的数据至关重要。以下是列出这些关键仪器的表格：1. 钙钛矿太阳能电池研究的太阳光模拟器1.1 什么是太阳光模拟器？定义：太阳能模拟器是一种人工光源，模拟自然阳光的光谱功率分布、强度和其他特性。它主要用于需要受控且一致的阳光条件的研究和测试环境。类型：有各种类型的太阳能模拟器，如稳态和脉冲型，主要差异在于它们提供光的方式（持续或短暂爆发）。1.2 钙钛矿太阳能电池研究中的重要性测试和特性分析：太阳光模拟器在评估钙钛矿太阳能电池性能中至关重要。他们提供了一个受控环境来测量效率、稳定性和对不同光强的反应等参数。测试的标准化：使用太阳光模拟器确保了太阳能电池在标准化条件下进行测试，使不同研究和实验室之间的结果比较更容易。1.3 钙钛矿电池太阳光模拟器的关键特性光谱匹配：模拟器的光应尽可能接近太阳光谱，因为电池的性能可能会随着不同波长的变化而变化。辐照度水平：精确控制光强是必要的，因为它会影响电池的功率转换效率和其他指标。均匀性：光的均匀分布对于确保一致和可靠的测试结果至关重要。1.4 挑战复制真实的阳光：可复制阳光的所有方面，包括其可变性，是一项挑战。长期稳定性测试：模拟阳光长期暴露的效果需要模拟器的长时间和一致的运行。1.5 在钙钛矿太阳能电池开发中的应用材料优化：研究人员使用太阳能模拟器测试不同钙钛矿组成对阳光的反应。设备工程：这对于测试钙钛矿太阳能电池的整体设计和架构至关重要。寿命和退化研究：理解这些电池在模拟阳光条件下随时间的退化情况。1.6 未来方向增强的模拟技术：正在进行的进步集中在更好的光谱匹配和包括温度和湿度等环境因素。高通量筛选：在自动化测试设置中使用，以快速评估多种钙钛矿配方。总的来说，太阳能模拟器在钙钛矿太阳能电池研究领域是重要的工具，使科学家能够在模拟真实世界阳光暴露的受控条件下，精确评估和优化这些有前途的材料。2. 钙钛矿太阳能电池研究的I-V曲线跟踪仪在钙钛矿太阳能电池研究中应用I-V曲线跟踪仪是评估和理解这些光伏设备性能特性的基本方面。以下是概述：2.1. 何为I-V曲线跟踪仪？定义：I-V (电流-电压) 曲线跟踪仪是一个用来测量光伏电池电气特性的电子仪器。它绘制出在不同条件下电池上的电流 (I) 与电压 (V) 的关系。功能：它提供了一个图形表示，显示太阳能电池的电流输出如何随电压变化。2.2. 在钙钛矿太阳能电池研究中的重要性性能分析：I-V曲线跟踪仪在钙钛矿太阳能电池研究中的主要用途是分析电池的性能。这包括确定参数，如开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、最大功率点和填充因子。效率计算：这些测量对于计算太阳能电池的总体效率至关重要。2.3. 与钙钛矿电池相关的关键特性灵敏度和准确性：由于钙钛矿材料的性质，需要高灵敏度和准确性。动态测试能力：鉴于钙钛矿太阳能电池可能的不稳定性和滞后效应，进行动态I-V测量的能力是需要的。2.4. 挑战和注意事项滞后现象：钙钛矿太阳能电池经常在其I-V曲线中表现出滞后，这可能使得测量和解释其性能变得复杂。环境因素：温度、湿度、光强对钙钛矿太阳能电池I-V特性的影响是一个活跃的研究领域。2.5. 在钙钛矿太阳能电池开发中的应用材料和工艺优化：研究人员使用I-V曲线跟踪仪来测试不同的制造方法、材料和电池结构如何影响电性能。退化研究：通过监测I-V特性随时间的变化，可以研究长期稳定性和在运行条件下的退化。2.6. 进步和未来方向自动化和高通量测试：I-V曲线跟踪技术的进步正在朝向自动化系统发展，允许对多个电池进行高通量测试，加快研发过程。与其他测量技术的整合：将I-V曲线跟踪与其他分析技术，如光致发光或阻抗谱，结合起来，以更全面地理解钙钛矿太阳能电池。在变化环境条件下的实时监控：增强I-V曲线跟踪仪以在变化的光强、温度和湿度等环境条件下监控实时性能，这对于理解钙钛矿太阳能电池在实际条件下的实用性能至关重要。总之，I-V曲线跟踪仪是钙钛矿太阳能电池研究中需要的工具。它为这些电池的电性能和效率提供了关键的见解，帮助研究人员优化材料和工艺，并理解钙钛矿太阳能电池在不同条件下的行为和稳定性。随着钙钛矿太阳能电池背后的技术的发展，I-V曲线跟踪仪在这个激动人心的研究领域中的能力和应用也将随之发展。3. 钙钛矿太阳能电池研究的量子效率测量系统当量子效率（QE）测量系统应用于钙钛矿太阳能电池研究时，是理解和优化这些新型光伏设备的光响应和总体效率的必要工具。以下是其角色和重要性的概述：3.1. 什么是量子效率测量系统？定义：量子效率测量系统是一种用来评估太阳能电池量子效率的仪器。量子效率指的是太阳能电池将光子转化为电子的能力，这对于确定其功率转换效率至关重要。类型：主要有两种 - 内部量子效率 (IQE) 和外部量子效率 (EQE) 测量系统。IQE考虑到电池吸收的光，而EQE测量转化为电子的入射光子的比例。3.2. 在钙钛矿太阳能电池研究中的重要性光响应分析：QE测量提供了关于钙钛矿太阳能电池在不同波长下如何有效地将光转化为电的见解。这对于理解电池在太阳光谱中的性能至关重要。材料和设计优化：通过分析QE数据，研究人员可以优化钙钛矿太阳能电池的材料成分、结构和设计，以提高其效率。3.3. 关键特性和考虑因素光谱范围：广泛的光谱范围对于评估电池在整个太阳光谱中的性能至关重要。准确性和灵敏度：由于钙钛矿电池可能由于其特殊的材料性质而表现出复杂的行为，因此高准确性和灵敏度至关重要。3.4. 钙钛矿电池的QE测量挑战不稳定性和滞后：钙钛矿材料可能表现出不稳定性和滞后效应，这可能影响QE测量的准确性和重复性。环境敏感性：钙钛矿太阳能电池对环境因素如湿度和温度敏感，这可能会影响QE测量。3.5. 在钙钛矿太阳能电池开发中的应用效率基准测试：QE测量是用于将钙钛矿太阳能电池的效率与其他光伏技术进行基准测试的标准方法。损失分析：它有助于识别和量化太阳能电池内部的损失机制，比如非辐射复合损失。层优化：研究人员使用QE数据来优化太阳能电池结构中的各个层，如吸收层、传输层和接触层，以实现更好的光吸收和电子传输。3.6. 进步和未来趋势整合新的测量技术：QE测量系统的进步包括整合其他技术，如时间分辨光致发光，以深入了解载流子的动态。高通量和原位测量：开发更快、更自动化的QE系统，用于高通量筛选材料，以及在制备过程中进行原位实时分析。环境条件模拟：增强QE测量系统的能力，以模拟各种环境条件，使得钙钛矿太阳能电池在实际运行环境中的性能评估更为真实。总之，量子效率测量系统是钙钛矿太阳能电池研究的基础工具。它提供了关于这些电池将光转化为电能的效率的关键见解，指导材料选择、电池设计和工艺优化。随着钙钛矿太阳能电池领域的不断发展，QE测量的作用在推动太阳能电池效率和性能的边界方面仍然至关重要。待续：钙钛矿太阳能电池前8需要仪器：科学期刊发表文章全面指南(中)

近年来，钙钛矿/硅叠层太阳能电池技术飞速发展，其效率已从13.7%发展到如今的33.2%，这得益于其更宽的太阳光谱吸收范围和更高的开路电压输出值。因此，钙钛矿/硅叠层太阳能电池被认为是最有希望从根本上提高光电转换效率并大幅降低太阳能发电成本的新型光伏技术。 　　然而，钙钛矿/硅叠层电池的不稳定性，特别是钙钛矿顶电池的不稳定性，仍然是限制其实际应用的主要障碍之一，通常与钙钛矿薄膜内部的残余应力密切相关。钙钛矿薄膜内部残余应力的存在会显著降低钙钛矿相变、缺陷形成和离子迁移的能垒，并最终加速钙钛矿的降解。因此，如何有效释放钙钛矿薄膜内部的残余应力并获得高效稳定的叠层器件成为关键。 　　近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属新能源所硅基太阳能及宽禁带半导体团队在叶继春研究员的带领下，在前期晶体硅和钙钛矿太阳电池研究的基础上(Adv. Sci. 2021, 8, 2003245 J. Mater. Chem. A 2021, 9, 12009 Energy Environ. Sci. 2021, 14, 6406 Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2110698 Nano Energy 2022, 100, 107529 Joule 2022, 6 , 2644 ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 52223 Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006 J. Mater. Chem. A, 2023,11, 6556 Nat. Commun. 2023, 14, 2166)，在高效钙钛矿/硅叠层电池领域取得了新的进展。 　　该团队提出一种基于表面重构的钙钛矿/硅叠层太阳能电池，认证效率达到29.3%(稳态效率29.0%)，是目前报道的基于遂穿氧钝化接触(TOPCon)电池的最高效率之一。 　　在该工作中，研究人员将正丁基碘化胺(BAI)溶于二甲基甲酰胺(DMF)和异丙醇(IPA)的混合溶剂中，并用于表面后处理。这种方法不仅可以实现BA离子在钙钛矿表面全面的A位替换，还能促进BA离子向钙钛矿薄膜内部的深扩散。在不影响薄膜质量的前提下，实现了钙钛矿薄膜表面和内部残余应力的同时释放。经过应力释放的薄膜表现出更少的缺陷态、更弱的离子迁移和更好的能级排列等优点，制得的单结电池和叠层电池分别获得21.8%和29.3%的效率，并展现出良好的热、湿、光照和运行稳定性。该工作促进了高效稳定的钙钛矿基太阳电池应变工程发展，并为未来的应用和部署提供了参考。 　　相关成果以“Surface Reconstruction for Efficient and Stable Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells with Greatly Suppressed Residual Strain”为题发表于Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202211962)上。2020级直博生李鑫为第一作者，应智琴博士后、杨熹副研究员和叶继春研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(Grant No. 62204245)和浙江省重点研发计划(Grant No. 2022C01215)等项目的支持。基于钙钛矿表面重构的两端口钙钛矿/硅叠层太阳电池

3月22日，国家发改委发布关于印发《“十四五”现代能源体系规划》的通知，提到积极推动工业园区、经济开发区等屋顶光伏开发利用，推广光伏发电与建筑一体化应用。光伏发电与建筑一体化是少数同时符合“稳增长”和“减碳”的发展方向，未来有望受到政策支持，从而迎来快速发展。光伏屋顶和光伏幕墙是光伏建筑一体化两大细分方向。光伏屋顶是具有承重隔热防水功能、并叠加电池板形成的屋顶，并能有效提供工业厂房用电需求的绿色建筑类型。光伏幕墙则是将幕墙（比如石材幕墙、玻璃幕墙）和光伏发电功能相结合的幕墙，相较于屋顶，建筑幕墙表面积更大，能有效提高发电量。更适用于高楼大厦安装光伏发电的需求。接下来我们通过两个案例来更直观的了解：案例1. 广州美术馆，具有世界唯一的全建筑光伏组件发电幕墙项目，整体幕墙面积达到7万㎡。案例2. 北京世园会中国馆，整个光伏系统装机容量80kW，年发电量约8.3万度。显而易见，发电玻璃光伏幕墙的一项核心科技为太阳能电池。布劳恩一家位于波兰的客户-SAULE Technologies，其联合创始人兼首席技术官 Olga Malinkiewicz 发明了一种在柔性箔上印刷钙钛矿太阳能的方法并获得了专利。该项技术目前应用在光伏屋顶和光伏幕墙等方向。接下来我们通过视频来详细了解吧~自2014年SAULE Technologies公司成立以来，就一直在使用布劳恩手套箱研究开发钙钛矿太阳能电池。SAULE Technologies公司实验室布劳恩提供的稳定的水、氧含量 1ppm的惰性气体氛围支持着每一个需要惰性气体氛围的应用。在钙钛矿太阳能电池行业，我们不仅为行业用户提供手套箱，还可以根据客户具体需求开发出智能的交钥匙设备解决方案，提供用于惰性气体环境的镀膜、封装以及表征分析等一系列工艺设备。工欲善其事，必先利其器，如果您想了解更多产品详情，欢迎致电我们！

【研究背景】钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其在单结构、小尺寸设备上实现了超过26%的功率转换效率（PCE）而成为研究热点。然而，二维钙钛矿表面钝化层引入的问题在于，活性阳离子在热应力下易于迁移，导致钙钛矿结构的八面体连接破坏和膜的快速降解，限制了器件的长期稳定性和效率。为应对此挑战，美国西北大学Kanatzidis、Sargent和Marks团队开发了非二维钙钛矿配体策略，通过限制间隔物进入钙钛矿晶格来抑制表面离子迁移。这些策略成功地减少了高温环境下的性能损失，并且在大面积钙钛矿膜上展现出了更高的钝化效果。为了进一步提升阳离子扩散抑制效果，并最大化八面体网络的稳定性，研究人员引入了边缘-/面共享的设计元素，创新性地实现了类钙钛矿材料的设计。这些进展不仅拓展了钙钛矿体在高性能PSCs中的应用前景，还为深入理解和优化其组成、加工和电子特性提供了重要的设计指南。以上成果在“Nature”期刊上发表了题为“Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells”的最新论文。【科学亮点】（1）首次在钙钛矿领域引入了类钙钛矿结构，这是一种具有较为健壮的有机-无机混合结构，通过边缘/面共享设计元素来抑制阳离子迁移。（2）实验结果显示，类钙钛矿/钙钛矿异质结构相比传统的二维/三维钙钛矿，能够显著抑制阳离子的迁移。通过增加钙钛矿体的维度，特别是引入边缘-/面共享设计，提高了八面体连接性和垂直于平面的取向，有效改善了与三维钙钛矿表面的电荷传输效率。（3）进一步分析表明，采用A6BfP等类钙钛矿作为钙钛矿表面的钝化剂，能够有效修饰钙钛矿表面，形成均匀的大面积钙钛矿膜，并且在厘米级PSCs上实现了高达24.6%的准稳态转换效率。此外，钙钛矿体/钙钛矿异质结构在85°C下稳定运行1250小时，表明其在实际应用中具有良好的稳定性和持久性。【图文解读】图1：类钙钛矿材料的设计与合成。图2：类钙钛矿材料/钙钛矿异质结构的构建。图3：2D类钙钛矿/3D钙钛矿异质结的光电特性。图4：钙钛矿太阳电池的光伏性能和稳定性。【结论展望】本文通过设计和合成具有边缘/面共享结构的类钙钛矿，有效地解决了传统二维钙钛矿表面钝化层在高温条件下易发生的阳离子迁移问题。传统的二维钙钛矿表面钝化层存在着阳离子在二维和三维钙钛矿层之间迁移的风险，这不仅降低了太阳能电池（PSCs）的效率，也影响了其长期稳定性。而通过引入类钙钛矿，特别是具有多维度结构的A6BfP 类钙钛矿，有效增强了其与三维钙钛矿表面的接触效率，通过增强的八面体连接性和垂直取向，改善了电荷传输效率，同时抑制了阳离子的迁移现象。这一创新设计不仅提高了PSCs的性能，还证实了其在高温环境下的长期稳定性，为解决太阳能电池材料在复杂工作条件下的实际应用问题提供了新的理论和实验基础。此外，本研究展示了通过精确设计分子结构，尤其是通过增加分子内部的体积分离距离，为类钙钛矿提供更有效的钝化功能，为未来高效率、长寿命PSCs的开发提供了有力的指导。文献信息：Liu, C., Yang, Y., Chen, H. et al. Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07764-8

p style="text-indent: 2em text-align: justify "近年来，一批新的抗癌药物相继问世，它们可以将机体对免疫细胞的控制作用完全关闭。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "每年，诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖和化学奖都会授予那些在科学上取得重大进步和发现的科学家们。在这里，美国物理联合会 Inside Science 专栏的编辑们总结了今年有望摘取这些著名科学奖桂冠的有力竞争者。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "诺贝尔生理学或医学奖——将于2018年10月1日公布/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "威猛的微生物/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "在几十年前，研究人员很少会去关注人体内的微生物，除非它们“为非作歹”，引起了疾病。然而，由于细菌、病毒和真菌在保持人体身体健康方面发挥着许多关键的作用，它们不断地凭借自己的本事跻身到人体器官的行列。换句话说，它们完全可以被视同为人体的器官。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "近些年来，微生物领域的关键进展是来自圣路易斯市华盛顿大学的杰弗里。戈登（Jeffrey Gordon）实验室。在1996年，戈登教授和他当时的研究生林恩。布里（Lynn Bry）曾证明，老鼠需要肠道内的微生物来产生某些对其健康非常重要的复杂碳水化合物。而在十年后，戈登教授的研究团队发现骨瘦如柴的老鼠和大腹便便的老鼠的肠道微生物有着非常重要的区别。研究人员将肥胖老鼠肠道的微生物移植到无该微生物的瘦小老鼠体内后，他们发现瘦小的老鼠也会逐渐发胖；反之亦然，即将瘦小老鼠肠道里的微生物移植到肥胖老鼠体内之后，原先肥胖的老鼠也往往会苗条起来，而在这整个过程中，它们所摄入的食物量至始至终都保持相同。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "这些发现促进了人类医学的进步，包括提高对使用抗生素的风险的认识，以及发展出能够治愈破坏性胃肠道疾病的“粪便移植”技术。有时，戈登教授更是毫不夸张地被称为“微生物之父”。至少自2015年起，他便一直是诺贝尔生理学或医学奖的有力竞争者。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "寻找癌症病毒的猎手/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "据估计，大约有15%~ 20%的人类癌症的病例是由病毒引起的，癌症病毒可以将自身的遗传物质插入到宿主的基因组中。在1994年，来自匹兹堡大学的夫妻搭档研究小组，张远（Yuan Chang）和帕特里克。摩尔（Patrick Moore）通过使用一种独特的创新技巧发现了一种重要的致癌病毒。在研究的过程中，他们并没有去寻找病毒粒子，而是直接从癌细胞的基因组中减去正常人类的基因组，随之剩下的基因便是一种被称为“人类疱疹病毒8”的病毒基因组。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "通常情况下，“人体疱疹病毒8”会被免疫系统直接抑制。但是对于那些免疫功能受损的人群来说，该病毒就会引起细胞的变化，比如促进细胞的生长和关闭细胞的自然死亡，进而增加了被感染细胞逐渐癌变的风险。这种病毒通常会导致三种癌症，这其中就包括卡波西肉瘤，它是一种在艾滋病患者中最为常见的癌症。卡波西肉瘤在一些非洲国家相当普遍，甚至超过了前列腺癌在美国的普遍程度。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "在2008年，张教授和摩尔教授通过类似的方法鉴定了另一种会导致癌症的病毒——默克尔细胞多瘤病毒。他们的研究工作为其赢得了许多著名的奖项和数以万次的文章引用，同时也引发了他们在未来将有可能获得诺贝尔奖的猜测。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "抗癌药物会关闭免疫系统的抑制机制/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "原本，人类的免疫系统会自然而然地寻找并摧毁那些癌变的细胞。但是癌症往往会鬼鬼祟祟地寻找反击的方法，直接躲避免疫细胞，甚至能够“策反”免疫细胞来保护它们自己。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "许多类型的癌症都会提升机体的抑制机制，从而控制免疫细胞，犹如一个个关卡。这些关卡的确有助于防止免疫细胞，例如T细胞，直接攻击人体自身，但同时也保护了肿瘤细胞，让它们可以高枕无忧。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "近年来，一批新的抗癌药物相继问世，它们可以将机体对免疫细胞的控制作用完全关闭。这些“关卡抑制剂”包括针对CTLA-4的药物和针对PD-1的药物。CTLA-4是一种可以让T细胞变得不活跃的关卡，而PD-1则会促使T细胞自我毁灭。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "这些“关卡抑制剂”具有很显著的副作用，但它们被临床证明是有效的，甚至对一些以前无法治疗的晚期癌症也会有明显的疗效。该抑制剂的一位开发者是来自德克萨斯大学安德森癌症中心的詹姆斯。艾里逊（James Allison），他也因此获得了十多个重要奖项。然而，鉴于2011年的诺贝尔生理学或医学奖在一定程度上是表彰癌症疫苗的开发，今年或许诺贝尔奖评审团会不太愿意将荣誉再次授予那些与免疫系统相关的癌症治疗工作。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "诺贝尔物理学奖——将于2018年10月2日公布/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "幽灵般的超距作用/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "一年前，来自中国的研究人员首次推出了量子加密的视频通话技术，而该通话技术是基于一种名为量子纠缠的量子现象。今年的诺贝尔物理学奖将很有可能会颁发给那些在量子纠缠领域做出杰出贡献的科学家们。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "当不同的粒子处于纠缠态时，它们的状态是相互联系的，即使它们相隔“千山万水”。这种粒子之间的纠缠关系在量子世界里可能还会引发一些更为奇怪的现象。这是因为量子态并不是一成不变的，它会根据测量的时间不同而得到完全不同的结果。因此，测量量子纠缠中的某个粒子的特性会瞬间影响其配对粒子的状态。这也是爱因斯坦曾提及的著名的 “幽灵般的超距作用”，他本人是很不喜欢这种相互作用的。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "1964年，物理学家约翰。贝尔（John Bell）曾提出了一种检测该“幽灵行动”是否真实的方法。在随后的几十年里，科学家们对所谓的“贝尔不等式”进行着越来越严格的测试。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "在2010年，科学家阿兰。派拉（Alain Aspect）、约翰。克劳泽尔（John Clauser）和安东。齐林格（Anton Zeilinger）因在这一领域的突出工作获得了沃尔夫物理学奖。该奖项有时被认为是诺贝尔奖的一个预测指标。在2015年，科学家们又宣布他们终于对“贝尔不等式”进行了一次“无漏洞”式的测试，再次证明量子纠缠系统的不可思议之处很可能的确存在。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "太阳能的利用/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "太阳在地球上每小时散播的能量足以满足人类一年的能源消耗。钙钛矿太阳能电池的出现，将有助于捕获更多这样的清洁能源。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "钙钛矿是19世纪发现于俄罗斯乌拉尔山脉的一种矿物，并以俄罗斯矿物学家Lev Perovski的名字来命名。钙钛矿材料是一类具有相同晶体结构的材料，其中有些是通过人工合成的材料。在太阳能电池中使用钙钛矿材料的想法，是由来自日本桐荫横滨大学的宫坂力（Tsutomu Miyasaka）教授和他的同事在2009年首次提出的。起初，其太阳能转化效率只有可怜的3.8%。但很快，它的转化性能就超过了20%，完全可以媲美传统的硅太阳能电池。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "同时，钙钛矿太阳能电池有很多优点：它们的制造成本相对较低；可以吸收所有可见波段的阳光；可以喷涂到各式各样的表面。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "然而，钙钛矿电池目前仍然面临许多挑战：钙钛矿太阳能电池单元较小，还需改进其生产工艺，制备出更大面积的太阳能电池；热量和水分会损坏其电池的组成物质，电池的稳定性差；钙钛矿电池中往往会包含有毒金属——铅。但是，在未来如果研究人员能够解决这些不利因素，这种新兴的太阳能技术的前景还是很光明的。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "通常来说，诺贝尔奖委员会比较认可基础物理领域的科学发现，而这些工程技术上的进步在评选中很可能会处于劣势。然而，曾今的一项能源创新技术——蓝光LED，就赢得了2014年的诺贝尔物理学奖。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "光的降速和停止/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "光在真空中以每秒186000英里（300000 千米/秒）的速度传播。但近几十年来，科学家们一直在尝试使用特殊材料来减缓光速，使其传播速度可以低于普通人的行走速度，在某些情况下甚至可以完全停止。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "在1999年，由丹麦物理学家琳恩。豪（Lene Hau）领导的哈佛大学研究团队，将光通过冷却到仅比绝对零度高几亿分之一度的钠原子气体，使其速度减慢到每小时仅38英里（约61千米/小时）。在如此低的温度下，这些冷原子会形成一种被称为“玻色-爱因斯坦凝聚态”的奇特物质状态。研究人员发现，处于“玻色爱因斯坦凝聚态”的物质的光学性质可以通过控制激光来直接操控。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "随后的实验进一步减慢了光的传播速，在2001年，研究人员甚至让光完全停止了大约一毫秒的时间。后来，在2013年，德国科学家在一个晶体中让光整整静止了一分钟。这些实验绝不仅仅是物理学家的小把戏，这种操纵光的方式在未来很可能会促进计算机和通信网络的进步和发展。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "无疑，豪教授是光降速和停止实验的先驱之一。如果今年她可以被授予诺贝物理学尔奖，这将打破近50多年来诺贝尔物理学奖只有男性得主的魔咒。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "诺贝尔化学奖——将于2018年10月3日公布/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "今年会是CRISPR年么？/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "近年来，基因编辑技术CRISPR的发明者一直都在诺贝尔化学奖的候选名单上，今年自然也是一样。这项基因编辑技术是利用从细菌中提取的分子工具，将DNA片段剪切并粘贴到有机体的基因组中。其影响是非常巨大的：科学家们认为通过该基因编辑技术可以消灭像亨廷顿氏舞蹈症这样的遗传疾病，也可以增强脆弱作物对气候变化的抵抗力，甚至还可以创造出产绒量极多的绒山羊。然而，有些人担心，这项技术可能会导致一些伦理的困境，比如涉及到设计婴儿和复活灭绝物种。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "而且，CRISPR并不能毫无争议地切断基因，几位相互竞争的科学家声称已经开发出更新的基因编辑技术。来自伯克利加州大学的生物化学家詹妮弗。杜德纳（Jennifer Doudna）和德国柏林的马克斯。普朗克感染生物学研究所的生物学艾曼纽。卡彭特（Emmanuelle Charpentier），在最近一轮激烈的专利纠纷中落败。其竞争者是来自马萨诸塞州剑桥市的哈佛大学和麻省理工学院博德研究所的生物化学家张锋（Feng Zhang）。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "便携的电源：锂离子电池/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "今天，锂离子电池为全世界提供着电力，然而，它并没有为其发明者赢得诺贝尔奖。从智能手机到电动汽车，锂离子电池已经无处不在，它为日益机动的世界扫平了障碍。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "在电池内部，带电的原子，也被称为离子，沿着两个电极之间的路径运动，并产生电流。在当前最常见的一种可反复充放电的锂离子电池中，其富含锂的阴极是由氧化钴组成，而阳极是由碳组成。这一电极的组合在最初发现时就是完美的：电池紧凑且稳定，而且能比其他同等大小的电池存储更多的能量。在1991年，第一个商用的锂离子电池投放市场，并且在这随后的每天里，科学家们都在测试和开发更为高效和安全的锂离子电池。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "来自宾厄姆顿大学 （纽约州立大学）的斯坦利。惠廷汉姆（Stanley Whittingham）在纽约起草了锂离子电池的初始设计方案，而随后，锂离子电池能够更加安全和便携地使用则在很大程度上归功于来自德州大学奥斯丁分校的约翰。班尼斯特。古迪纳夫（John b 。 Goodenough）和来自日本名古屋市的日本旭化成公司和名城大学的旭化成（Akira Yoshino）教授。如果这项技术最终得到认可，这三位科学家都有可能因此获得诺贝尔奖。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "聚焦一位可能再次荣获诺贝尔奖的科学家/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "在2001年，斯克里普斯研究所的卡尔。巴里。夏普莱斯（K。 Barry Sharpless）因其在“手性催化氧化反应”中的杰出工作获得了该年的诺贝尔化学奖。作为该研究所唯一的科学作家，我责无旁贷地迅速撰写了一篇新闻稿，向记者介绍了他在不对称催化方面的获奖作品。那天早上，从纽约到圣地亚哥，所有的电视、广播和报纸的记者们都忙着想要采访我，而我的老板却只给我安排了不到一个小时的新闻发布会。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "幸运的是，一位来自夏普莱斯教授实验室的名叫瓦雷利。福金（Valery Fokin）的年轻研究员（他现在在南加州大学工作）给予了我很大的帮助。他巧妙地向我解释了什么是不对称催化科学——一种选择性合成化合物的方法，然后迅速地回顾并巧妙地纠正了我所写的那篇关于这项研究突破的文章。不对称催化作用最后生成的不是右旋分子和左旋分子的混合物（这可能是有害的，比如沙利度胺，其右旋构型有镇静功效，而左旋构型却会导致婴儿畸形），而是有选择性地产生其中一种或是另一种构型。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "同年，夏普莱斯教授创造了“点击化学”这个词汇，用来描述合成化学领域的另一项突破。该项突破是他与福金以及前斯克里普斯研究教授芬恩（M.G.Finn）（现在是乔治亚理工大学）共同开创的。在过去的几年里，“点击化学”一直是诺贝尔奖的有力竞争者，而夏普莱斯、福金和芬恩也因此列入了诺贝尔化学家候选名单之列。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "“点击化学”是材料合成梦想的组成部分。它是一种简单的、快速的、在单个容器中进行不对称催化反应以获得高收率并使随之产生的副产品是良性或易于纯化的材料合成方法。这些都是药物设计中所要重点考虑的因素，其中一个主要的挑战是如何在工业规模上开发出合成工艺，以制造出小分子药物。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "如果夏普勒斯教授今年再次获奖，他将成为少数几个可以同时荣获两项诺贝尔奖的人。如果福金教授获奖，我会再打电话给他，要知道他的专访必须归我！/p

加州大学洛杉矶分校（UCLA）的杨扬教授领导的研究团队在太阳能领域取得了重大进展。他们专注于开发高效光伏材料甲酰胺铅碘（FAPbI3）钙钛矿太阳能电池，研究结果於2023年6月21日被发表在《NATURE》。尽管在室温下结晶过程中存在不希望出现的黄色相，但该团队开发出一种定向成核机制来避免这些相并提高装置性能。他们的创新方法使得装置达到了25.4%的功率转换效率（认证为25.0%）。更令人惊艳的是，该模组在27.83平方公分的面积上，达到了21.4%的认证开路效率。该研究使用Enlitech的QE-R量子效率测量系统和SS-X系列太阳光模拟器进行的效率量测。这些精准且快速的量测设备工具在研究团队的成功中起到了关键作用，提供了整个研究过程中准确且可靠的数据。该研究还包括对钙钛矿薄膜结晶过程以及其光学性质的详细研究。该团队使用了各种方法来监测和分析这些过程，从而对材料的行为有了全面的理解。

近十年来，具有高效率和低成本特性的钙钛矿型太阳能电池(PSCs)受到了越来越多的关注，尤其是柔性钙钛矿型太阳能电池(f-PSCs)在建筑一体化光伏、建筑贴附式光伏、便携式设备以及航空航天领域有广阔的应用空间，成为了研究人员关注的热点。虽然f-PSCs近些年来发展迅速，其光电转化效率仍旧落后于刚性PSCs，在f-PSCs处于弯曲状态下这种效率差距尤为明显。 　　前期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员和刘畅研究员等人通过薄膜形貌调控、载流子传输层修饰和新型二维钙钛矿材料设计(Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416；Adv. Funct. Mater. 2022, 10, 2210600；Infomat 2022, e12379；Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630)等手段，大幅提升了柔性和刚性钙钛矿光伏器件的效率和稳定性。 　　然而，较弱的激子解离能力和较差的成膜质量仍旧制约着f-PSCs的效率，对此团队创新性地通过优化二维钙钛矿中有机大分子的吡啶环中的N原子位置，使大分子的偶极矩增大，实现了具有铁电性的二维钙钛矿。 　　研究发现铁电性的二维钙钛矿的加入能有效增强内建电场，进而提升激子解离效率并抑制器件中的非辐射复合。在三维钙钛矿结晶过程中二维钙钛矿种子可以辅助其成为更均匀和定向程度更高的晶体薄膜，释放薄膜中拉伸应力。因此，基于此的f-PSCs效率达到了23.08%，并且具有较好的机械稳定性，在经历了1000次循环弯折试验后仍旧可以保持原有能量转化效率的85%以上。 　　此外铁电二维钙钛矿具有压电性，在弯曲状态下可以引起ITO/钙钛矿界面的能带弯曲降低空穴传输势垒，因而该器件在拉伸应力下会呈现出更高的能量转化效率，为开发更高效的f-PSC提供了新的思路。 　　相关研究成果以“Rational design of ferroelectric 2D perovskite for improving the efficiency of flexible perovskite solar cells over 23%”为题，发表于Angew. Chem. Int. Ed.(相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202217526)，宁波材料所葛子义研究员和刘畅研究员为该论文的通讯作者，硕士生韩斌、王耀华为共同第一作者。 　　上述工作获得了国家杰出青年科学基金(21925506)、国家重点研发计划(2017YFE0106000)、国家自然科学基金(51773212、81903743、22005322)、宁波市科技创新2025重大专项(2018B10055)、中国科学院前沿科学研究重点项目(QYZDB-SSW-SYS030)等的支持。(a)新型二维钙钛矿的结构；(b)柔性器件的J-V曲线

由于钙钛矿层中的缺陷，机械耐久性和长期运行稳定性是柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSC）商业化的关键因素。中国科学院葛子义和Li Wei等人合成了一系列具有不同分子偶极子的-CN添加剂，包括2'-氟-[1,1'-联苯]-3,5-二腈（1F-2CN）、2'，6'-二氟-[1,2'-联苯]-3,5-二腈（2F-2CN）和2'，3'，4'-三氟-[1,6'-联苯]-3,5-三腈（3F-2CN）。 添加剂中的两个-CN基团可以与Pb2+缺陷配位，氟原子可以调节添加剂的偶极矩，并与带电荷的FA+基团形成氢键。因此，添加剂成功缝合了钙钛矿晶界处的缺陷，并释放了晶界应力，导致低杨氏模量和高机械柔韧性。同时，添加剂可以削弱电荷载流子与纵向光学声子之间的相互作用，并促进载流子的提取和传输。 此外，分子偶极更强的2F-2CN可以更好地提高f-PSCs效率和稳定性。因此，基于1F-2CN-、2F-2CN-和3F-2CN-的f-PSC分别具有21.87%、23.64%、24.08%和23.30%的功率转换效率（PCE）。得益于钙钛矿膜，含有改性添加剂的未封装f-PSC具有优异的机械可靠性以及良好的光、热和空气稳定性。 本研究采用Enlitech QE-R产品进行量测。

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置， 其中以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流。虽然通过掺杂及表面覆盖抗光反射层能提高晶硅太阳能电池的效率，但是超过能带间隙和一些特定波长的光反射造成了巨大的光能量损失，反而限制了晶硅太阳能电池的效率。 Y.H. Wang等利用有机金属三溴纳米粒子（CH3NH3PbBr3）涂层吸收部分短波长太阳光，使其转化成化电场。该化电场可以通过促进分子重排而增强有机-晶硅异质结太阳能电池的不对称性，从而增加表面活性载流子密度，终将有机-晶硅异质结太阳能电池的效率从12.7%提高到了14.3%。 苏州大学Q.L. Bao教授等人在钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为和载流子浓度分布等领域作出了突出贡献。2016年，发表在ACS Nano上的钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为的研究中，作者利用neaspec公司的近场光学显微镜neaSNOM发现：1. 未施加外场电压时， 该微纳米线区域中载流子密度（图1 g. s-SNOM振幅信号）和光折射率（图1 g. s-SNOM相位信号）较均匀；2. 施加外场正电压时，该区域中载流子密度随I-离子（Br?）的迁移而向右移动（图1 h. s-SNOM振幅信号），其光折射率随随MA+离子（CH3NH3+）的迁移而向左移动（图1 g. s-SNOM相位信号）较均匀；3. 施加外场负压时，情况正好与施加正电压时相反（图1 i）。该研究显示弄清无机-有机钙钛矿结构中的离子迁移行为对于了解钙钛矿基的特殊光电行为具有重要意义，进而为无机-有机钙钛矿材料的光电器件应用打下了坚实的基础。图1.SNOM测量钙钛矿结构微纳米线的光电转换的离子迁移行为。 d-f. 离子迁移测量示意图；g-i,相应的s-SNOM光学信号振幅和相位图 2017年， Q.L. Bao教授等人发表在AdvanceMaterials的文章中再次利用neaspec公司的近场光学显微镜neaSNOM，次在实验中研究了太阳能电池表面钙钛矿纳米粒子涂层的载流子密度。结果显示：钙钛矿纳米粒子覆盖区域近场信号强度高于Si/SiO2区域中信号强度（参见下图2 b 图2 a为对应区域的形貌）。另外作者也研究了增加光照的时间的影响（参见下图2 c, d）。其结果显示：近场信号强度随光照时间增加，从12.5 μV (黄色，0 min) 增加到 14.4 μV (红色, 60 min)，该近场信号反映了可移动自由载流子密度的变化。终，红外光neaSNOM研究结果证明：随光照时间增加，太阳能电池表面的钙钛矿纳米粒子涂层富集和捕获了大量的电子。图2. SNOM测量钙钛矿结构纳米粒子涂层的载流子密度。a. AFM形貌图；b, s-SNOM光学信号图-未加光照；c, s-SNOM光学信号图-光照30min；d, s-SNOM光学信号图-光照60min 作者预见，该研究对于设计新型太阳能电池，提高其转化效率具有重要意义。同时，该研究还提出了一种使钙钛矿结构材料和晶硅太阳能电池相结合的研究方法，为之后的研究和应用提供了解决新思路。相关参考文献1.Zhang Y.P. et. al. Reversible StructuralSwell?Shrink and Recoverable Optical Properties in Hybrid Inorganic?OrganicPerovskite. ACS Nano 2016,10, 7031?7038.2.Wang Y.H. et. al. The Light-InducedField-Effect Solar Cell Concept - Perovskite Nanoparticle Coating IntroducesPolarization Enhancing Silicon Cell Efficiency. AdvancedMaterial 2017, First published: 3 March 2017 DOI: 10.1002/adma.201606370.相关产品链接超高分辨散射式近场光学显微镜 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C170040.htm德国Neaspec纳米傅里叶红外光谱仪 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C194218.htm

Nature：突破障碍 - 何祝兵团队在甲胺掺杂的倒钙钛矿太阳能电池中达成25.86%的效率分子掺杂工艺： 研究人员引入了一种使用二甲基胺基掺杂剂的分子掺杂工艺，该工艺能够创建一个与p-钙钛矿/ITO接触良好且能够完全钝化晶界的结构。这种创新工艺提高了钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE），实现了经认证的25.39%的PCE，这是对钙钛矿太阳能电池现有标准的改进。分子挤压技术： 该工艺采用了一种独特的“分子挤压”方法，在甲苯淬灭结晶过程中将分子从前驱体溶液排出到晶界和薄膜底部。这种独特的技术导致了钙钛矿薄膜的p-掺杂，有助于提高器件的效率。长寿命和高效率： 器件在逆向扫描时实现了25.86%的效率，并表现出卓越的稳定性，即使经过1000小时的光老化，仍能保持96.6%的初始效率。这表明钙钛矿太阳能电池在性能和可靠性方面取得了显著的进步。在不断发展的光伏领域中，更有效、可持续地利用太阳能的追求是一项不懈的努力。科学家已经探索了许多途径来提高太阳能电池的效率，其中钙钛矿太阳能电池因其性能潜力和经济制造能力的结合而一直脱颖而出。今天，我们将聚焦于一支南方科技大学何祝兵团队率领杰出的研究团队所取得的重大突破，他们实现了钙钛矿太阳能电池效率的深度提高，这标志着我们共同追求更可持续和能效的未来的重要一步。这项开创性的研究提出了一种与传统方法有着根本不同的新型分子掺杂工艺，使用了一种二甲基氨基基团的掺杂剂。这种掺杂剂巧妙地用于形成和谐的p-钙钛矿/ITO接触，并精确地去除晶界缺陷，推动了钙钛矿太阳能电池功率转换效率（PCE）的大幅提升。研究团队创造出了一个惊人的世界纪录，即25.39%的认证PCE，为该行业设定了新的标准和潜力。为了达到这个非凡的成就，研究人员提出了一种被称为“分子挤压”的巧妙技术。这种创新策略迫使前体溶液中的分子在甲苯淬火晶化过程中重新分布到晶界和薄膜底部。因此，这导致了钙钛矿薄膜的p型掺杂，这是实现设备效率显著提高的关键。这种独特的工艺因此标志着一种基础性的突破，从根本上改变了可再生能源范式。然而，这项研究的胜利不仅仅局限于效率领域。该团队的冠军设备不仅在反向扫描中展示了25.86%的PCE，超越了以往的阈值，而且表现出了卓越的稳定性，在经过1000小时的光老化后仍保持了96.6%的初始效率。这项成就解决了钙钛矿太阳能电池技术中的一个主要挑战——效率和稳定性之间的平衡，并为未来旨在优化这两个重要方面的研究提供了有价值的基础。在这项开创性研究的核心是Enlitech的QE-R精密测量设备的精确利用。这种先进的设备为团队提供了准确的读数，使他们能够仔细评估他们的新方法的结果。选择Enlitech的QE-R设备，这种以精度和可靠性闻名的设备，强调了顶级资源在实现突破性成果中的重要性。此外，研究人员深入探究了p-钙钛矿/ITO界面的复杂能带对齐。通过应用紫外光电子能谱（UPS），他们阐明了促进空穴提取的带弯曲现象，这是实现高性能太阳能电池的关键过程。实验揭示了二甲基氨基基团掺杂剂以及与铅离子形成的分子复合物修改ITO基板的功函数，从而获得了有利于高效空穴提取的能带对齐。除了提高效率和稳定性外，研究团队还解决了钙钛矿太阳能电池中常见的滞后效应挑战。通过采用分子挤压技术和精确的掺杂工程，他们显著降低了滞后效应，从而使设备性能更加可靠和可重复。这一突破为实际应用和商业化钙钛矿太阳能电池提供了巨大的潜力，因为它解决了阻碍其广泛应用的主要障碍之一。此外，研究团队对电荷载流子动力学的详尽研究揭示了他们的钙钛矿太阳能电池性能异常出色的机制。通过各种分析技术，包括电荷密度差和Bader电荷分析，他们揭示了钙钛矿薄膜内电荷的重新分布，这归功于有效的分子掺杂策略。这种重新分布导致了提高空穴提取效率和提高整体设备性能的效果。总之，这项开创性的研究代表了钙钛矿太阳能电池领域的重大进展，实现了25.39%的创纪录效率和卓越的稳定性。分子掺杂工艺结合创新的分子挤压技术为实现对设备性能和稳定性的前所未有的控制铺平了道路。Enlitech的QE-R精密测量设备的利用对于准确评估制造的设备的光电性质起到了至关重要的作用。这一非凡成就将我们更接近实现钙钛矿太阳能电池的全部潜力，推动我们迈向由清洁、可再生能源驱动的未来。分离ITO表面的Pb 4f（a），I 3d （b）和P 2p （c）的XPS光谱来自ITO/DMAcPA/钙钛矿（蓝色）和ITO/钙钛矿（DMAcPA）（红色）样品两种钙钛矿薄膜埋底面XPS图 S26.Pb 4f（a）、I 3d （b）和调查（c）的XPS光谱，在底部检测到原始（红色）和DMAcPA掺杂（蓝色）钙钛矿薄膜的表面，与正文中报导了制造过程。 Pb结合能的红移在钙钛矿的埋藏底面检测到（图。S26a）也可以表示O–Pb与键削弱了主流Pb-I共价键的结合能和这里解释了Pb的红移。 S26b），它可以是归因于P-O-H–I的氢键，这已经得到了很好的讨论和通过上述H NMR信号的下场化学位移进行检查（图3A）。

【重点摘要:】(1)周欢萍教授团队利用淀粉-聚碘超分子作为缓冲层,显著改善了钙钛矿太阳能电池的疲劳行为和循环稳定性。(2)经修改的钙钛矿太阳能电池在连续42个日夜循环后,发电效率可保持在98%。(3)该研究为如何利用超分子化学调控软晶格材料的元稳定动力学提供了重要见解。【研究背景】由于钙钛矿太阳能电池具有软体和离子晶格结构,它们极易受外部刺激的影响。在循环载荷的实际环境中,电池很容易出现明显的疲劳。由于缺乏对材料降解的基本理解,目前还没有有效的方法来减轻这种循环照明下的电池疲劳。【研究结果】研究人员在钙钛矿材料的界面引入了淀粉-聚碘超分子作为双功能缓冲层,它既可以抑制离子迁移,也可以促进缺陷的自我修复。经修改的钙钛矿太阳能电池在连续42个日夜循环后,原始的光电转换效率可保持在98%。这种电池也达到了24.3%的光电转换效率(认证值为23.9%),并且具有强烈的电致发光,外量子效率高达12%以上。【研究方法】研究人员首先合成了淀粉-聚碘超分子材料,并将其作为缓冲层插入钙钛矿太阳能电池的载流子输运层与光吸收层之间。他们从多个角度分析了缓冲层的影响,包括电化学测量、光致发光谱、小角入射X射线衍射、热重分析等,以确认其双功能机制。然后,他们制备了采用该缓冲层的钙钛矿太阳能电池,并通过42个日夜循环的加速老化试验考察其循环稳定性和发电效能。结果证实,缓冲层明显提高了电池在循环载荷下的稳定性。【结论】本研究通过在钙钛矿太阳能电池的界面引入淀粉-聚碘超分子缓冲层,显著改善了电池的循环稳定性和疲劳行为,为实现钙钛矿太阳能电池的实际应用提供了有效途径。该超分子缓冲层的双功能机制也可应用于其他软晶格材料的界面设计。研究结果对利用超分子化学手段调控软晶格材料的元稳定性具有重要启发意义。a,含不同浓度淀粉-碘Starch-I的w/ Starch-I装置的J-V曲线。b,开路电压和填充因子随Starch-I浓度的依赖性。c,作为LED操作时装置的EL的EQE。d,EQEEL和开路电压随Starch-I浓度的依赖性。含Starch-I的w/ Starch-I装置(a)和参考装置(b)的J-V曲线。外量子效率(EQE)谱及合并的JSC为24.5 mA cm-2 457 的含Starch-I装置。

1：铅在钙钛矿器件中的难以被取代的原因 针对钙钛矿的毒性问题，一个关键问题是，在不含铅的情况下是否能够实现优异的钙钛矿光电性能。尽管在这方面已经取得了一些进展，但无铅钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和稳定性仍然远低于含铅的钙钛矿光伏电池。这是因为含铅的钙钛矿具有一种特殊的轨道混合构型，有助于其出色的光电性能。因此，研究人员尝试使用具有类似轨道构型的其他金属来替代铅，其中被泛研究的材料是锡（Sn）基钙钛矿。 锡的离子半径（118&thinsp pm）与铅（119&thinsp pm）相似，并且具有孤对的5s和空的5p轨道，其有效核电荷（Zeff）分别为10.63和9.10。然而，锡离子Sn2+有被氧化为Sn4+的趋势（Sn2+/Sn4+的标准还原电势E0&thinsp =&thinsp 0.15 V，而Pb2+/Pb4+的E0=&thinsp 1.67 V）。这可能是因为缺乏镧系元素的影响，导致锡离子5s孤对电子的Zeff比铅离子中的6s孤对电子较小。因此，在钙钛矿薄膜中产生的Sn4+会意外地导致高缺陷密度，从而降低了光电性能。此外，据认为，SnI2的急性毒性比PbI2更高。 除了锡，还有另一种具有相同价电子构型的IV族元素，即锗（Ge）。然而，由于锗离子的较小离子半径（73&thinsp pm）和更高的氧化倾向（Ge2+/Ge4+的E0&thinsp =&thinsp 0&thinsp V），导致锗基钙钛矿的光电特性和稳定性较差。为了寻找稳定的无铅钙钛矿材料，研究人员还尝试了其他组合物，其中包括含有Bi3+和Sb3+的ns2元素。然而，这些组合物形成的晶体结构具有相对较宽的带隙和较差的电荷传输能力，限制了它们的光电特性。目前来看，就钙钛矿晶体的光电性能、热力学和环境稳定性而言，铅仍然是最有前景的元素。（见方框1表）方框1表：铅和其他替代离子以及含有这些离子的卤化物钙钛矿（相关）化合物的典型性质O、可实现的；X、无法实现。数据来源于参考文献中。2：PSCs对环境的影响为了评估PSCs对环境的影响，人们采用了生命周期评估的方法，考虑了从提取、纯化和制备铅相关原材料，到PSCs的制造、安装、维护，以及产品寿命结束时的处理等所有阶段。对PSC生命周期的评估得出了一些积极的结论，认为PSCs比其他技术（如商用硅太阳能电池）更具可持续性。然而，PSCs中铅的泄漏仍然是一个令人担忧的问题。一旦安装完成，面板的大部分寿命将受到不受控制的大气条件的影响，而面板的损坏可能导致铅溶解和扩散。通过生命周期分析和浸出研究，可以确定潜在的暴露浓度，但其对人类健康或环境的影响取决于有机物可生物利用总铅的量以及生物可利用部分是否具有毒性问题。在土壤中，铅的生物利用程度取决于水中铅的形态、土壤的化学成分（如离子强度、pH值、天然有机物）以及土壤类型（如粘土、壤土等）。钙钛矿中的有机阳离子会改变土壤的pH值，并影响植物对铅的吸收能力。图1 PSC的铅泄漏途径及其潜在环境影响的评估因此，在评估环境或人类健康风险时，应考虑铅的形式、化学转化以及周围的化学基质。人类每周铅摄入量（LWI）被视为衡量铅暴露的健康指标，联合国粮农组织将其上限设定为0.025 mg/kg。通过假设损坏的PSC面板中的所有铅将在有限的时间内泄漏并进入环境，可以估计在不同百分比的分散和环境扩散情况下的LWI水平。图1所示的方案是在考虑不同可能情况的基础上进行计算的，以估计LWI的潜在水平。从这些结果可以推断出，只有一小部分总铅可能对人类构成风险，因为在许多情况下，LWI将高于人类3000-5000年前的估计水平以及2010年取消的成人LWI限额。3：PSC中的铅固定化策略1）晶粒封装 通过将钙钛矿颗粒包裹在疏水性有机物（如聚苯乙烯）、防水氧化物（如TiO2、SiO2、Al2O3）或不溶性铅盐（如PbS、PbSO4、Pb(OH)2）中，可以有效地阻断水进入和离子流出的通道。选择透水性较低的覆盖层材料，确保覆盖层具有强疏水性、高致密性并完全覆盖钙钛矿晶粒。例如，通过在钙钛矿结晶前或后处理过程中引入小分子的缩合物，或在钙钛矿层的顶部沉积疏水分子或功能盐（如磺基、硫酸盐、硫化物），可以实现对晶界和表面的原位封装。良好粒径分布的含铅钙钛矿显示出出色的水稳定性，并在作为生物成像闪烁体时表现出潜在的应用前景，而对目标动物没有显著的细胞毒性，这表明生物利用度降低。另外，将防水层插入用于内部或外部封装的PSC中，也可以防止水分渗透。然而，这些方法在器件损坏的情况下可能会失效。尽管通过将可固化材料与密封剂混合赋予了一些自修复特性，但由于受损密封剂的固化通常需要外部刺激（如紫外线辐射、加热），其保护效果可能存在问题。2）铅络合 通过添加适当的添加剂，形成与铅离子（Pb2+）形成低溶解度复合物的策略，降低钙钛矿中铅化合物的溶解度。典型的添加剂应具备两个供电子的路易斯碱官能团（如羰基、硫醇、磺基、硫化物、卟啉环、冠醚），通过酸碱相互作用与路易斯酸性的Pb2+离子配位。添加剂的疏水主链或侧链应具有疏水性部分（如长烷基链、氟基团、碳纳米管），使得在络合后形成的络合物在水中沉淀。因此，形成的络合物在配体与Pb2+离子螯合之后变得疏水。例如，在钙钛矿前体中加入聚丙烯酸接枝的碳纳米管（CNT-PAA），可以有效抑制相应PSCs中的铅泄漏。3）结构集成 通过提高组成元素之间的结合强度、集成体的连接性和界面内聚力，钙钛矿结构在器件内的集成可以增加水渗透、结构碎裂和分层的能垒，从而提高结构的稳定性，防止水溶解和铅泄漏。例如，通过引入具有强配位能力或偶极-偶极相互作用的界面/集成桥，可以增强器件的互连性。已证明，钙钛矿顶表面的化学相互作用增强对抗晶体坍塌和延缓铅释放的效果是有效的，但在器件损坏的情况下可能会失效。因此，需要将整个结构集成，包括钙钛矿层的表面、本体和界面。通过在钙钛矿层中引入可聚合单体，构建钙钛矿/聚合物基质，可以实现钙钛矿晶粒的整合。例如，丙烯酰胺单体作为钙钛矿膜的添加剂，可以在原位聚合过程中形成聚酰胺，并与钙钛矿发生转化。聚酰胺中的-C=O基团可以在晶界和钙钛矿表面与过配位的Pb2+发生相互作用，形成坚固的螯合结构在沉积的薄膜中。此外，聚酰胺在暴露于水中时易形成水凝胶，这进一步防止了Pb2+从器件溶解和扩散到水中。此外，。聚合过程中单体的团聚效应可以在钙钛矿层内引起压缩应变，从而增加离子迁移的活化能和水渗透的势垒，提高高湿度条件下的晶体稳定性此外，将钙钛矿渗透到刚性和介孔结构中，也有望防止结构坍塌。4）泄漏铅的吸附 由于铅固存效率（SQE）与吸附位点的密度直接相关，因此需要充足的负载材料，以确保足够的铅吸附能力。因此，在装置的内层中实施Pb吸附剂可能是不够的，因为逐层清除的能力有限。过多的绝缘材料会降低电极的导电性。此外，电荷传输层的厚度通常只有几百/几十纳米，这限制了捕获钙钛矿膜中所有Pb2+的能力。因此，更好的选择是将铅吸附材料嵌入外部封装中，这样可以避免负载量的限制，保持器件性能。例如，Li等人提出了一个优秀的方法，通过在前玻璃顶部沉积高透明度的Pb吸附剂，而不需要过滤入射光，并将聚合物密封剂与Pb2+结合材料的混合物插入后电极和封装盖之间。由于两侧都具有显著的铅吸附能力，这种化学方法可以显著减少铅泄漏达到96%。此外，应在不同的温度和pH条件下组合使用具有不同活性的铅吸附材料。例如，利用膦酸和亚甲基膦酸基团组成的铅吸附剂，由于其温度依赖的去质子化效应，可以在较大温度范围内保持较高的铅固存效率（SQE）。图2：PSC中的铅固定化方法4：PSC中的铅固定化策略对比及铅泄漏测量方案设计对上述四种铅固定策略从工作机理、保护效果及对器件性能的影响等方面进行了系统比较。值得注意的是，内部铅固定策略（即分离、络合、整合）表现出高选择性和快速响应性，因为在泄漏之前Pb2+离子得到了预先保护，但其铅固存效率（SQE）相对较低（约60-80%）。铅的固定能力与嵌入添加剂中功能位点的密度有关，尤其对于络合方法。然而，添加剂中的大多数是绝缘的，在某些情况下是光吸收的，这会破坏电荷传输和光子捕获，并且添加剂与Pb前体之间的相互作用会影响钙钛矿结晶。因此，在添加剂浓度超过钙钛矿材料的容忍度时，可能会在PCE和SQE之间存在权衡。然而，适量的Pb固定添加剂可以有利地提高PCE和寿命，分别通过最佳优化器件与原始器件的PCE和寿命比来定义。晶粒封装和化学络合的方法由于晶粒的惰性和形成的铅络合物的不溶性，在铅回收过程中可能面临挑战，因为铅回收依赖于从器件中提取铅的容易性。此外，在大规模制造中，在钙钛矿层中形成均匀覆盖层可能存在问题，因为难以控制层厚度，这限制了PSC的升级。在这些方面，结构集成似乎更具潜力，其中铅的固定能力与添加剂的结构稳定性相关，而不是与螯合位点有关，从而实现相对较高的SQE（约80%）。相比之下，在SQE接近100%的情况下，外部实施铅吸附剂在抑制铅泄漏方面更为有效，因为可以加载大量材料而不影响器件性能。然而，这种方法仍然存在一些缺点，可能会降低其有效性。值得注意的是，PSC的铅泄漏及其吸附在很大程度上取决于测试条件，如温度、pH值、暴露水的体积以及设备的损坏方式。然而，表2中报告的SQE值是在完全不同的条件下测量的。为了定量评估PSC的铅泄漏并比较全球各实验室使用不同铅固定技术的情况，需要建立一个由计算模型支持的标准铅泄漏测试方法。此外，建议采用标准方式测量一些指标，如总泄漏铅浓度（cLL）、泄漏率（LR）和SQE，并模拟钙钛矿在恶劣天气条件（酸性和大雨）下的两种暴露情况（浸水和滴水），如表2和图3a所示。此外，应使用老化的钙钛矿膜进行铅泄漏测量，而不是完整器件，包括有或没有分层封装剂，以模拟钙钛矿层完全暴露于水的情况。此外，可以进行生物测试，评估泄漏铅对植物或动物生长的影响。图3：建议的铅泄漏测量和铅固定器件结构四、小结铅基PSCs的研究在效率和稳定性方面取得了快速进展。现在是时候进一步研究如何在考虑可持续性的情况下，在大规模工业规模上实施这一有前景的技术的下一阶段，以避免从前体制备到太阳能电池板的长期工作寿命中可能发生的铅泄漏。同时，在实际部署基于卤化铅钙钛矿的光电器件时，需要进行深入的职业和当地人口风险评估，以确保在其运行过程中和使用寿命结束时防止铅泄漏，这不仅是法律要求，也是道德义务。有关铅使用的具体立法可以推动铅固定化和设备回收战略的创新。同时，应制定紧急应对措施计划，以减少发生火灾事故时空气中无意排放的铅对土壤的污染。此外，在将PSCs投放市场之前，应进行标准测试，以评估潜在的铅泄漏风险。参考文献Zhang, H., Lee, JW., Nasti, G.et al. Lead immobilization for environmentally sustainable perovskite solar cells. Nature 617, 687–695 (2023).Doi: 10.1038/s41586-023-05938-4

尽管目前钙钛矿/硅叠层太阳电池效率可达到33.2%，但钙钛矿活性层的长期稳定性是阻碍钙钛矿/硅叠层太阳电池商业化的最紧迫问题之一。目前提高钙钛矿器件稳定性通常基于封装工艺、晶体调控工程、缺陷钝化方法和能带调节方式。 　　然而，类似于许多金属、玻璃和聚合物材料中的“应力腐蚀”，由器件制造和运行中不可避免的拉伸应力引起的时间依赖的亚临界钙钛矿降解仍然会发生。微观层面，该应力可以削弱铅卤化物轨道耦合，从而改变与结构相关的材料特性(如带隙和载流子动力学)，降低相变、缺陷形成和离子迁移的势垒；宏观层面，该应力会促使裂纹和分层情况的产生，从而加速钙钛矿的降解，导致器件的效率降低甚至失效。 　　近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属新能源所硅基太阳能及宽禁带半导体团队在叶继春研究员的带领下在前期晶体硅和钙钛矿太阳电池研究的基础上，在高效稳定钙钛矿/硅叠层电池领域又取得了新的进展。该团队采用一种长碳链阴离子表面活性剂添加剂，研究发现该添加剂能通过表面自分离和胶束化以改善钙钛矿晶体生长动力学，并在钙钛矿晶界构建类胶状的支架以消除残余应力；因此，钙钛矿活性层中缺陷减少、离子迁移受抑制以及能级结构改善。最终实现了未封装的钙钛矿单结和钙钛矿/硅叠层太阳电池在最大功率点跟踪下连续光照下3000小时和450小时的运行稳定性测试中，分别保持了85.7%和93.6%的初始性能，代表了迄今为止在类似条件下报道的稳定性最佳的器件之一。 　　相关成果以“Long-chain anionic surfactants enabling stable perovskite/silicon tandems with greatly suppressed stress corrosion”为题发表于Nature Communications(https://doi.org/10.1038/s41467-023-37877-z)，博士生汪新龙为第一作者，应智琴博士后、杨熹副研究员和叶继春研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划(2018YFB1500103)、澳门特别行政区科学技术发展基金(FDCT-0044/2020/A1、0082/2021/A2)和澳门大学研究基金(MYRG2020-00151-IAPME)等项目的支持。长链阴离子表面活性剂抑制应力腐蚀作用机理(上)；钙钛矿单结(中)以及钙钛矿/硅叠层(下)太阳电池最大功率点工作稳定性测试

太阳能电池材料简述目前，人类的主要能源（石油、煤炭、天然气）的储存量是有限的，为了应对能源危机和环境污染，新能源已是全球关注的焦点，太阳能因其清洁环保尤其备受关注。近几年太阳能电池产业以平均年增长率为30%的速度飞速发展。太阳能电池的种类十分多，按材料分类可分为四类：硅太阳能电池；多元化合物薄膜太阳能电池；有机物太阳能电池；纳米晶太阳能电池，综合考虑材料的价格、对环境的影响及转换效率等因素，以硅为原材料的电池是太阳能电池中最重要的成员。研究和应用最广泛的太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。而开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高效率和降低成本。为了促进我国在太阳能材料与太阳能电池研究领域的交流和发展，“2018第二届全国太阳能材料与太阳能电池学术研讨会”于2018年6月22-24日在广州召开。本次会议由中国化工学会化工新材料委员会及新能源材料技术创新与协同发展中心主办，暨南大学承办。弗尔德（上海）仪器设备有限公司携旗下研磨筛分品牌德国Retsch（莱驰）、多功能粒度粒形分析仪品牌德国Retsch Technology（莱驰科技）、热处理技术品牌CarboliteGero（卡博莱特盖罗）、元素分析仪品牌德国Eltra（埃尔特），参加了第二届全国太阳能材料与太阳能电池学术研讨会，为太阳能电池材料的应用提供全方位的解决方案。大会主要从学术和产业化视角探讨我国太阳能光伏材料与器件，新型钙钛矿和化合物薄膜半导体材料与器件等方面科研成果与产业应用现状，探索太阳能开发与利用的研究新思路和新方法，推进太阳能研究领域人员之间的交流与合作，进一步提高我国太阳能领域科学研究与技术创新能力。 德国Retsch（莱驰）提供的行星式球磨仪PM系列和高能水冷球磨仪Emax能够实现纳米研磨，满足太阳能电池材料用户最为严苛的研磨粒径需求。此外，德国Retsch（莱驰）的筛分仪种类齐全、筛分方式多样、测量范围广泛、配套使用不同规格的分析筛，可以满足太阳能电池材料行业的粒径分级和测量的需求，筛分结果精确且具有重复性，符合DIN/EN/ISO/ASTM等国际国内标准，是全球唯一一家可提供全系列筛分仪的专业生产厂家。Retsch Technology（莱驰科技）专业从事粒度及粒形分析测试仪器的研发和制造，采用双镜头专利的动态图像分析技术，可精确分析可流动性的颗粒、粉体、胶体、悬浊液、磁性材料等样品的粒度及形态。Camsizer X2设计基于广受欢迎的Camsizer并进一步优化精细样品的测量条件（从0.6μm到8mm），不仅提高了光学解析度，更提供多样的的进样方式适用工业陶瓷行业的应用。德国Eltra（埃尔特）专业从事元素分析仪的制造研发和生产，可为陶瓷样品提供碳/氢/氧/氮/硫五种元素分析的整体解决方案。6月24日，第二届全国太阳能材料与太阳能电池学术研讨会圆满落幕，针对太阳能电池材料应用的具体解决方案与参会的专家学者们进行了深入交流。弗尔德仪器衷心地感谢各位客户的关注和支持！基于客户给予的信任和要求，弗尔德仪器定会不负众望、与日俱新，努力为太阳能电池材料客户提供一份满意的解决方案。除了仪器的展示，弗尔德仪器还在展会上介绍2018年抽奖活动，2018年7-12月，每月产生1个大奖10个幸运奖，大奖奖品价值3000元人民币。奖品有金条、进口空气净化器、高级电饭煲、食品料理机、进口道具组合、美颜相机。现在就关注“弗尔德仪器”官方微信，参加抽奖！

在绿色能源的发展得到各国越来越多的重视与青睐的今天，光伏科技和太阳能电池的产业成长与技术研发成为了工业界和学术界共同的焦点。而这其中被广泛关注的当属使用具有钙钛矿结构的材料所合成的太阳能电池。钙钛矿结构是具有通式ABX3结构的一类化合物，除了CaTiO3外，还有BiFeO3、CsPbI3也具有这一结构。基于钙钛矿结构材料所合成的电池则一般被统称为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PVSCs）。在光伏领域的研究中，钙钛矿太阳能电池因其能量转化率在近几年的飞速提高而备受关注。其中的佼佼者更是可以达到25%的能量转化率。 然而，在我们期待上述的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池从实验室走向工业应用的时候，一个无法回避的问题出现在了研究者的面前：这种电池的环境敏感性非常之高。在电池的使用过程中，其性能稳定性和使用寿命很容易被环境湿度，环境热度，环境光照所影响，且这种影响多为负面影响。也就是说，要想让PVSCs能够被大规模应用，其环境耐性必须得到改进。 针对上述问题，香港城市大学Fengzhu Li于今年（2022年）4月在Advance Energy Materials中发表了等离激元局域光热现象调控钙钛矿太阳能电池应力以提升效率和稳定性的研究工作。该课题组发现二氧化硅包覆的金纳米管（GNR@SiO2）可有效提高钙钛矿太阳能电池的性能，尤其通过减小材料生成过程中所产生的残留应变，在维持电池高效转化率（23%）的前提下，大幅提高了电池的工作稳定性。这种GNR@SiO2有着8.2 nm的平均直径和40 nm的平均长度。其中的二氧化硅外壳结构的厚度在15 nm左右。图1. 作者所生成的GNR@SiO2的 (a) TEM与EDS扫描图样 (b)直径和长度的分布统计 在通过标准流程测得生成的太阳能电池的能量转化效率可以达到23%之后，接下来研究者的关注点则聚焦到了GNR@SiO2对电池稳定性——也就是钙钛矿材料层的稳定性的提高之上。在此研究中，Neaspec研发的近场光学显微镜起到了至关重要的作用。科研者利用此设备获取了相关材料基于中红外激光吸收的形貌图（光学成像）和与之对应的纳米傅里叶红外光谱结果。实验使用了一台相干宽波长中红外激光器，通过Neaspec近场光学显微镜将激光聚焦于镀铂金AFM针，从而表征了四组参照薄膜材料：（a）新生成的钙钛矿结构材料（PVK）（b）新生村的掺杂了GNR@SiO2的PVK（c）经过疲劳测试的PVK（d）经过疲劳测试的GNR@SiO2的PVK。图2 实验原理示意图和Neaspec近场光学显微镜AFM照摄像头在测试四组材料时的光学镜头成像。 在PVK所对应的中红外成像和纳米傅里叶红外光谱中，信号的产生主要源自材料里的脒结构中的非对称碳氮键的拉伸模式的变化。所有之后的分析都是基于上述四种材料所产生的这种信号（对应材料中脒的浓度也就是材料的降解程度）。下图a-d对应四种材料的1700 cm–1 中红外激光成像结果。而为了研究疲劳测试对材料稳定性的影响，研究者在每个结果中都选取了5个数据点，直接进行纳米傅里叶红外光谱的测试 （下图 e-h）。研究者通过对比发现，在没有掺杂GNR@SiO2的PVK中，疲劳测试使得材料的脒含量降到了原来的45%。而通过掺杂GNR@SiO2，PVK中的则能维持在原来的75%。可见，掺杂GNR@SiO2有效地减慢了PVK薄膜材料的降解和损耗速度。而使得这一结果得以获得的，正是Neaspec的近场光学显微镜可以同时对样品进行中红外成像和纳米傅里叶红外吸收谱分析的这一特性。图3 四组参照薄膜材料的中红外成像结果以及对应图上5个数据点的纳米傅里叶红外光谱结果参考文献：[1]. Fengzhu Li, Tsz Wing Lo, Xiang Deng, Siqi Li, Yulong Fan, Francis R. Lin, Yuanhang Cheng, Zonglong Zhu, Dangyuan Lei*, Alex K.-Y. Jen*, Plasmonic Local Heating Induced Strain Modulation for Enhanced Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells, Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.202200186

顶尖团队的选择在2023年7月10日出版的《纳米-微米快报》期刊上，北京理工大学材料科学与工程学院的研究人员在陈棋教授和陈煜教授的带领下，发表了一项有关提高钙钛矿太阳能电池稳定性的研究。该研究集中于通过改进空穴传输层的胶凝性能来提高太阳能电池的性能和寿命。这项研究提出了一种新的方法，通过使用对苯二甲酸（TA）修饰spiro-OMeTAD空穴传输层（HTL），形成凝胶状结构，从而提高钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能和稳定性。将TA添加到spiro-OMeTAD中会形成一种黄色透明的凝胶状聚合物网络，称为poly(TA)。HTL的凝胶化有效地提高了所得HTL的紧密性，并防止水分和氧气的渗透。此外，TA能够使钙钛矿缺陷被钝化，并促进从钙钛矿层到HTL的电荷传输。研究团队制备的基于凝胶化HTL的优化PSCs表现出PCE (22.52%)的高的转换效率和良好的器件稳定性。凝胶化的HTL还可以防止LiTFSI盐的聚集，并在潮湿条件下保持高导电性。研究团队开发的凝胶化HTL的PSCs，在25°C下连续照射1000小时后仍保持其初始PCE的85%，在25°C环境空气中连续照射2500小时后保持其初始PCE的92%。凝胶化HTL策略也应用于PTAA，并观察到类似的湿度稳定性改进。这些研究团队获得的发现为改进基于spiro-OMeTAD的HTL以实现高效稳定的PSCs提供了简单且有前景的策略。空穴传输层（HTL）。HTL是一种薄膜，有助于从钙钛矿层中提取正电荷（空穴）到电极。常用的HTL材料是spiro-OMeTAD，它具有良好的空穴迁移率和与钙钛矿材料的兼容性。然而，spiro-OMeTAD也存在一些缺点，如其原始状态下的导电性差和对湿度的敏感性。为了克服这些问题，通常会在spiro-OMeTAD中掺杂锂盐，例如LiTFSI，以提高其导电性并降低其能级。然而，掺杂锂盐也会引入新的问题，如由于LiTFSI的吸湿性导致HTL和钙钛矿层的降解，以及由于Li+离子的迁移导致J-V滞后现象的形成。因此，研究团队一直在探索各种改善HTL性能和稳定性的策略，例如开发新的HTL材料，使用替代掺杂剂，以及优化掺杂方法。在本文中，研究团队将回顾该领域最近的一些进展，并讨论其优点和局限性。材料：本文中的实验采用商业获得并按原样使用的材料，例如碘化铯（CsI，99.9％，Sigma-Aldrich）、碘化铅（PbI2，Xi’an Polymer Light Technology）、氯化甲基铵（MACl，Xi’an Polymer Light Technology）以及用于电荷传输层的材料（SnO2（15 wt％胶体分散液，Alfa）、2,2′,7,7′-四[N,N-二-4-甲氧基苯基]胺基]-9,9′-二苯并螺[5,5′-二(苯并)二噁咯]（spiro-OMeTAD，Xi’an Polymer Light Technology）、三氟甲磺酰亚胺锂盐（LiTFSI，99.95％，Sigma-Aldrich）、硫辛酸（TA，99％，Sigma-Aldrich））。使用的溶剂包括氯苯（CB，Sigma-Aldrich，99.9％）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.99％，Sigma-Aldrich）、二甲基亚砜（DMSO，99.5％，Sigma-Aldrich）、异丙醇（99.99％，Sigma-Aldrich）、乙腈（ACN，99.95％，Sigma-Aldrich）和tBP（99.9％，Sigma-Aldrich）。此外，氟甲酸铵（FAI，Dyesol）在购买后进行了进一步纯化。器件制备：研究团队将ITO基底用超纯水、丙酮和乙醇在超声系统中清洗30分钟。然后，用N2气干燥并经过UV-O3处理30分钟，以提高其润湿性。在基底上以4000 rpm的速度旋涂一层致密的SnO2层，并在150°C下热处理30分钟。在沉积钙钛矿薄膜之前，基底暴露于紫外光10分钟。对于PbI2前体，研究团队将PbI2和CsI溶解在DMF:DMSO的混合溶剂中，并在70°C下搅拌5小时。有机阳离子前体通过将FAI和MACl溶解在异丙醇中制备。两个溶液均经过0.22 μm的PTFE过滤器过滤。采用两步法制备钙钛矿薄膜：首先旋涂PbI2前体，然后是有机阳离子前体。在150°C下热处理10分钟后，旋涂空穴传输层（HTL）在钙钛矿薄膜上。使用了两种类型的HTL前体。对于参考HTL，使用了CB中的spiro-OMeTAD、TBP和LiTFSI的溶液。对于目标HTL，将TA加入到参考HTL溶液中。经过过夜氧化后，沉积了100 nm厚的Au膜作为背接触。使用金属阴影掩模定义了器件面积为0.0805 cm2。表征：研究团队使用Anton Paar仪器（Physica MCR 301，德国）进行了poly(TA)的流变学测量，采用平行板几何形状。应变扫描测量在25°C下进行，角应变范围为0.1至2500％，频率为0.5 Hz。温度扫描测量在25至100°C之间进行，应变为1％，频率为0.5 Hz。傅里叶变换红外光谱（FTIR）采用Magna-IR 750（Nicolet，美国）进行。采用Bruker AVANCE III 300 MHz NMR Spectrometer获得1H NMR光谱。使用Al Kα辐射采集了XPS数据的Axis Ultra XPS光谱仪（Kratos，英国）。使用Hitachi Regulus 8230进行了SEM成像。使用带有PRUM-TNIR-D-10探头的Bruker Dimension Icon IR进行了纳米FTIR实验。ToF–SIMS测量采用PHI NanoTOF II仪器（ULVAC-PHI，Inc.）与30 keV Bi+脉冲主离子束。使用UV–vis漫反射光谱仪（UV–vis DRS，日本Hitachi UH4150）获取了UV–vis吸收光谱。使用具有470 nm脉冲激光和基于galvo的扫描仪的激光扫描共焦显微镜（Enlitech，SPCM-1000）用于2D PL映射。使用带有Cu Kα辐射的Bruker D8 Advanced获得XRD数据。使用FLS1000（Edinburgh Instruments Ltd）和450 W的Xe灯进行了稳态PL和TRPL测量。使用源表（Keithley 2400）和AM1.5G光照从1000 W m-2太阳模拟器（SS-F5-3A，Enlitech）评估了PSC的光伏性能。J-V扫描以50 mV s-1的扫描速度在正向和反向方向进行。使用Enli Technology（中国台湾）EQE测量系统记录EQE曲线。校准的硅二极管用作EQE测量的参考。结果和讨论空穴传输层（HTL）的凝胶化TA是一种天然存在的小分子，具有疏水的1,2-二硫代璘和烷基链基团，以及亲水的羧酸基团。TA的结构包括动态共价二硫化键和非共价氢键，使其成为形成稳健连续网络的潜在交联剂。当TA溶解在氯苯中，并加入LiTFSI，它会发生凝胶化，形成一种黄色透明的凝胶状聚合物网络，称为poly(TA)。研究团队进行了流变学测量，研究了凝胶化行为。应变扫描测试显示，在约340％的振荡应变幅值处，凝胶向溶胶转变。在这个临界应变以下，凝胶网络保持稳定，但在存储模量（G’）和损耗模量（G"）交叉点附近的340％处发生失效。通过流变分析观察到，凝胶在50°C以上发生可逆的固态到液态转变。这种超分子聚合物在温度升高或被水稀释时会转变为黏稠的聚合物溶液。通过增加单体溶液的浓度或加入Fe3+，Pb2+，Zn2+和Ca2+等金属离子，可以提高凝胶的转变温度。FTIR分析证实了TA与LiTFSI之间的强相互作用，导致交联结构的形成。TA的添加促进了空穴传输层（HTL）前体溶液中凝胶的形成。如甲酸或乙醇等溶剂可以溶解凝胶，使研究团队能够在钙钛矿上制备HTL薄膜。与参考HTL相比，带有TA的凝胶HTL表现出了改善的薄膜形貌。SEM和AFM分析显示凝胶HTL薄膜具有均匀且致密的表面，表明TA在提高薄膜质量方面起到了作用。AFM-IR确认了凝胶HTL薄膜中TA的空间分布。a TA 交联聚合的示意图。 b TA聚合的图片。 c 应变扫描时聚 (TA) 凝胶的储能模量 (G’) 和损耗模量 (G")。 d TA（红色）、LiTFSI 和 TA 混合物（蓝色）、LiTFSI（黄色）的 FTIR 光谱。 e spiro-OMeTAD 和掺杂 TA 薄膜的 spiro-OMeTAD 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。 f 目标薄膜的 AFM 图像和 g 相应的纳米 FTIR 图像。红外频率为 1693 cm–1 的纳米 FTIR（与 TA 的 C&thinsp =&thinsp O 伸缩吸收共振）提高湿度稳定性研究团队使用ToF-SIMS映射评估了凝胶HTL薄膜中添加TA的成分分布。观察到在高湿度条件下，参考薄膜表面明显出现LiTFSI的聚集，而带有凝胶HTL的目标薄膜显示出减轻的LiTFSI聚集。这表明在高湿度条件下，凝胶HTL更加坚固。发现TA与LiTFSI之间的相互作用能够延缓Li的聚集。AFM-IR和深度剖面ToF-SIMS测量进一步证实了凝胶化在防止LiTFSI聚集和迁移方面的有效性。还研究了凝胶HTL策略对钙钛矿薄膜湿度稳定性的影响。将覆有HTL的钙钛矿薄膜在湿润空气中老化，并监测UV-vis吸收光谱。参考薄膜在暴露于湿润空气后显示出吸光度的急剧下降，而目标薄膜显示出微不足道的变化。XRD测量证实参考薄膜分解为PbI2和光不活性的δ相，而目标薄膜显示出延缓的α向δ相转变。经过老化的薄膜的PL映射显示，与参考薄膜相比，目标薄膜具有更窄的波长范围，表明其稳定性更好。凝胶HTL策略也适用于PTAA，观察到了类似的湿度稳定性改进。接触角测量表明，与参考薄膜相比，凝胶HTL薄膜的吸湿性降低。这些发现表明，使用凝胶HTL覆盖的钙钛矿薄膜的湿度稳定性得到了显著改善。a 参考膜和 b 目标膜在 25°C、85-90% 的高相对湿度下老化 200 小时之前和之后的 Li+ 的 2D ToF-SIMS 元素图。 c 参考钙钛矿薄膜和目标钙钛矿薄膜在 700–850 nm 处随时间变化的紫外可见吸收光谱。 d 参考膜和目标膜在 750 nm 处的归一化吸收。参考文献的 e PL 峰位置图和统计图。 f 目标薄膜在 25°C、85–90% 的高相对湿度下老化 500 小时之前和之后设备性能和稳定性的提高：研究团队研究了凝胶空穴传输层（HTL）对器件的光电性能和稳定性的影响。使用ITO/SnO2/钙钛矿/ spiro-OMeTAD(TA)/Au的n-i-p型平面太阳能电池结构来评估光伏性能。使用研究团队开发的凝胶HTL的目标器件显示出较高的平均光电转换效率（PCE），为20.22%，而参考器件为18.11%。它们还显示出改善的重复性和HTL薄膜的致密性。最佳目标器件的PCE达到22.52%，其VOC、JSC和FF的值较参考器件更高。研究团队开发的目标器件的稳定性显著提高，在暴露于环境大气条件（RH约30-60%）下2500小时后，保留了92%的初始PCE。相比之下，参考器件在1000小时后只保留了60%。未封装的目标器件在高湿度（85-90%）下也显示出良好的稳定性，在1000小时后保留了85%，而参考器件在530小时后只保留了75%。此外，目标器件在持续LED照明1000小时后保持了超过85%的初始PCE，而参考器件仅保持约40%。这些结果证实了凝胶HTL策略显著改善了太阳能电池的长期稳定性。a PSC 的结构以及钙钛矿和凝胶 HTL 之间的界面。 b 参考设备和目标设备的 PCE 统计分布。孔径面积为 0.0805&thinsp cm2 的最佳性能目标器件的 c J-V 曲线。 d 参考器件和目标器件的 EQE 曲线及其综合 JSC 曲线。 e 最大功率点附近偏置电压 (1.00 V) 对应的稳定功率输出数据。在 MPP 条件下 f ≈30–50% RH、g 85–90% RH 和 h 连续照明下参考器件和目标器件的归一化 PCE 演变提高光伏性能：为了理解凝胶空穴传输层（HTL）器件中增强的效率和稳定性的原因，研究团队研究了spiro-OMeTAD和凝胶HTL薄膜的电导率。与纯净的spiro-OMeTAD相比，凝胶HTL中TA的存在显著提高了电导率。这种增强归因于TA中S原子的强电负性，促进了spiro-OMeTAD的氧化。稳态光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）光谱表明，凝胶HTL促进了光生空穴在钙钛矿/spiro-OMeTAD界面的传输和提取。光电压与光伏性能改善的关系与PL和TRPL测量结果一致。综上所述，研究团队通过改进空穴传输层（HTL）的胶凝性能，提高了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能和稳定性。他们使用对苯二甲酸（TA）修饰的spiro-OMeTAD HTL形成了凝胶状结构，防止了水分和氧气的渗透，并促进了电荷传输。研究团队开发的凝胶HTL策略显著提高了钙钛矿太阳能电池的转换效率和稳定性，为实现高效稳定的太阳能电池提供了有前景的策略。a ITO/spiro-OMeTAD/Au 和掺杂 TA/Au 电阻器件的 ITO/spiro-OMeTAD 的 I-V 曲线。 b 使用 HTL 的参考钙钛矿薄膜和目标钙钛矿薄膜的 PL 曲线。 c 使用 HTL 的参考钙钛矿薄膜和目标钙钛矿薄膜的 TRPL 衰减曲线。请注意，具有 HTL 的样品的 TRPL 和 PL 是在短路时测量的。钙钛矿和钙钛矿/TA 薄膜的 Pb 4f 的 d XPS 谱。 TA 和含 PbI2 粉末的 TA 的 e FTIR 光谱。 f 使用 HTL 的参考钙钛矿薄膜和目标钙钛矿薄膜的 TRPL 衰减曲线。请注意，具有 HTL 的样品的 TRPL 是在开路条件下测量的

法国国家太阳能研究所（INES）在先进光伏太阳能技术的研发、专业技术和培训、电力系统集成以及智能能源管理方面处于世界领先地位。2023年12月，法国国家太阳能研究中心（INES）的CEA 、意大利能源公司ENEL Green Power及其西西里子公司3SUN创造了p-i-n架构（反式）双端子钙钛矿-硅叠层电池的新纪录，该电池在9平方厘米面积上的转换效率为28.4%，并具有阴影校正功能，电池经过欧盟委员会JRC-ESTI认证，其Voc超过1900 mV。2023 年，CEA 和 3SUN 此前在3月和6月分别宣布了在9平方厘米面积实现 26.5% 和 27.1% 的转换效率，同样是p-i-n 架构叠层电池，并带有阴影校正。值得一提的是，国际上大多数发布的效率记录都是针对1平方厘米面积的。而该团队的研究人员专注于在更大的器件面积上追求最佳效率和长期稳定性，以尽早证明工业化的可行性。以下视频介绍了CEA-PSK—SJ 和 PSK/SI 串联稳定性评估平台，为钙钛矿超结和钙钛矿/硅串联太阳能电池的制造、表征、封装、升级和测试提供最先进的设备，布劳恩手套箱在该视频中精彩亮相。

【重点摘要】美国国家可再生能源实验室（NREL）由朱凯领导的研究团队发表了这篇研究论文。1. 关联钙钛矿太阳能电池的室内测试和室外老化2. 目的是预测真实世界的可靠性以指导开发3. 光照和高温下的降解是具信息性的4. 层间界面对稳定性至关重要5. 修改界面层可提高稳定性8倍，在85°C下超过1000小时6. 达到8200小时的预计寿命在50°C7. 是报告过的高效率钙钛矿太阳能电池中相当稳定的之一8. 将实验室测试与实际寿命连接起来以评估稳定性【研究背景】钙钛矿太阳能电池是有前途的薄膜光伏技术，但真实世界的稳定性很难理解。将加速的室内测试与户外老化关联对于指导钙钛矿太阳能电池的开发和预测寿命至关重要。【研究成果】1. 光照和高温下的降解对户外可靠性的预测具预示性。2. 修改自组装分子（SAM）的顶层电子传输层（HTL）可提高稳定性8倍，在85°C下超过1000小时。3. 达到8200小时的预计寿命在50°C下。4. 是报告过的高效率钙钛矿太阳能电池中稳定性好之一。【研究方法】1. 测试了高效率的p-i-n型钙钛矿太阳能电池堆叠结构。2. 在光照、高温和湿度下进行了室内加速测试。3. 进行了为期6个月的户外老化测试。4. 分析了在不同应力因素下的降解情况。5. 确定了ITO/SAM HTL/钙钛矿的界面是关键。6. 修改了SAM HTL以改善离子阻挡。【结论】本研究显示了加速室内测试和钙钛矿太阳能电池室外老化之间的强烈相关性。**该框架将实验室和战野的寿命相关联，从室内实验中获得了对真实世界稳定性的见解。通过改变界面层以阻止离子迁移，改善了稳定性。**这使得能更好地通过将室内测试和室外寿命相连接来评估高效率钙钛矿太阳能电池的长期稳定性。这个可靠性框架可以指导进一步的开发和商业化。未封装的p-i-n钙钛矿太阳能电池在不同温度下的平均操作稳定性。 b. 来自不同温度下T80值的每小时降解速率一个典型的p-i-n钙钛矿太阳能电池的J-V曲线及相应的SPO效能

金属卤化物钙钛矿太阳能电池为下一代光伏技术开辟了一条新的途径，它制造成本低且具有高光电转化效率。然而，长期稳定性仍是阻碍商业化的关键问题。在目前的钙钛矿太阳能电池中，原子/离子/分子间相互扩散（如卤化物侵蚀、阳离子偏析等）和化学反应（如电化学反应、光化学反应等）常常导致器件在运行条件下出现严重的退化，特别是光照和热产生的化学腐蚀和材料分解在金属/钙钛矿界面尤为突出，这限制了高效电池的长期稳定性。阻挡层已被证明是抑制电极腐蚀和提高器件稳定性的有效策略。作为离子迁移的屏障材料，其应具有本征的不渗透性和化学稳定性，这一点已经得到了广泛的研究。目前大多数阻挡层材料都是基于材料本征稳定性和制备工艺展开研究和筛选，从而优化器件性能和稳定性。然而，纳米尺度非晶薄膜微结构异质性和离子迁移的阻挡能力之间的固有规律尚未有系统研究。非晶态半导体由于其致密的形态和化学均匀性，具有良好的化学抗腐蚀性和抗渗透性，在太阳能转换、微电子学、催化和光电子学中具有多种应用。与晶体薄膜相比，非晶薄膜没有典型的晶体缺陷，这有三个优点：（1）少的能量异质位点减少化学腐蚀程度；（2）缺乏高维缺陷（如晶界）作为离子/原子迁移通道；（3）局部表面电荷的波动降低，表面电位更平滑，接触良好。因此，非晶阻挡层为防止器件发生腐蚀反应和扩散途径提供了一个有效的方案。但是，目前对器件中的非晶阻挡层的关注有限，其阻挡作用需要进一步探索。因此，来自北京理工大学的朱城副研究员和陈棋教授，在Advanced Materials上发表了“Engineering amorphous-crystallized interface of ZrN x barriers for Stable Inverted Perovskite Solar Cells”的文章，第一作者为肖梦琪。文章开发了非晶态ZrNx薄膜作为屏障，以抑制金属腐蚀并提高反式电池的稳定性。通过借助模式识别技术对a-c界面密度进行了量化，研究了非晶-结晶（a-c）界面对ZrN x阻挡层性能的影响。此外进一步通过电化学方法揭示了a-c界面防腐蚀特性和非晶薄膜的化学稳定性。最终调控制备了具有非晶ZrN x阻挡薄膜的高效率器件（23.1 %），并显示出良好的稳定性。在室温下最大功率点跟踪连续1500小时后，仍保持88%的初始效率。本文要点要点一：非晶ZrNx阻挡层的a-c界面量化及其阻挡特性非晶-多晶阻挡层中通常包含不同程度的结晶区域，由此产生的非晶-结晶（a-c）界面容易成为离子渗透的通道。通过收集不同结晶程度ZrN x阻挡层的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）数据，采用模式识别技术来分析和评估短程异质性和长程无序性。通过调控工艺参数，实现了ZrN x薄膜中结晶区域和非晶区域的比例调控，从而导致a-c界面密度的降低。并通过Tof-SIMS证明了非晶程度高的ZrN x薄膜具有更好的阻挡特性。要点二：非晶ZrNx的防腐性能和化学稳定性提升作者通过电化学方法证明了，ZrN x非晶态薄膜中a-c界面的减少有助于薄膜的防腐性能提高。通过DFT理论计算和不同结晶程度的ZrN x薄膜的表面电势的结果，作者认为防腐性能的提高归因于非晶材料活化能提高和化学势的均匀分布，从而在动力学上抑制了离子或者原子的迁移。因此，非晶程度高的ZrN x薄膜具有更好的抗腐蚀能力和化学稳定性。要点三：非晶ZrNx抑制电极腐蚀和钙钛矿退化作者验证了非晶ZrN x在没有传输层器件中的阻挡效果。在85 ˚C黑暗和N 2条件下老化500小时后，通过SEM图像发现具有非晶ZrN x阻挡层器件的Cu电极表面没有明显变化，而标件Cu电极表面出现针孔和形貌变化。进一步通过XRD和XPS确认标件电极中出现CuI，但是非晶ZrN x阻挡的器件中电极没有出现CuI，说明非晶ZrN x能够抑制电极的腐蚀。此外，剥离Cu电极后，通过光致发光图像和隧道式原子力显微镜得到非晶ZrN x减缓了钙钛矿的退化过程，提高了钙钛矿薄膜的稳定性。要点四：器件稳定性提升通过在传输层和电极之间插入非晶ZrN x阻挡层，明显提高了反式钙钛矿太阳能电池的运行稳定性，在一个太阳光照下，连续的最大功率点跟踪超过1500小时后，保持初始效率的88%。此外，还表现出良好的光热稳定性，在85 ˚C下超过1000小时后仍保持90%的初始效率，在N 2气中一个太阳光照下超过1300小时后仍保持90%的初始效率。从老化后PSCs的Tof-SIMS和截面的SEM图像中，均发现非晶ZrN x有效抑制PSCs中的Cu和I的迁移。

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近日，48所成功研制出全自动高精度太阳能电池测试分选设备，并率先在48所晶体硅太阳能电池生产线推广应用!　　目前，48所研制的全自动太阳能电池测试分选设备已经突破了技术瓶颈，在多个关键单元技术上掌握了自主知识产权,通过在晶体硅太阳能电池生产线的生产考核，各项技术指标上接近国际同类设备先进水平，碎片率指标优于国外进口同类产品。正是基于测试分选等太阳能关键装备纷纷研制成功并推向市场，48所太阳能产品的技术指标连创新高，整线“交钥匙工程”备受客户青睐，海内外订单纷至沓来，取得了令人振奋的可喜成绩。　　这是48所坚持自主科技创新所取得又一次突破，它不但填补了国内空白、替代了国外进口,而且更为重要的是标志着48所向晶体硅太阳能电池片制造装备全面国产化迈出了关键一步，对于提升国内装备技术水平具有深远的战略意义!　　如果国内晶体硅太阳能电池的高精度测试和自动分选设备过度依赖进口，不但价格昂贵，而且供货周期长、备件少、维护费用高,将严重制约我国晶体硅太阳能电池的发展。随着光伏产业迅速崛起和光伏产业链的不断发展壮大，48所把可持续发展提到了前所未有的高度，以科技创新推动技术进步和引领市场，充分利用光伏装备制造的技术优势和人才优势，坚定不移的走设备与工艺相结合之路，不断攻克光伏产业发展道路上的种种技术障碍，光伏装备和光伏产品两大产业互相促进提高并发展迅猛，成为支撑我国太阳能光伏产业快速发展的太阳能电池制造装备龙头供应商。