全鈣鈦礦最高認(rèn)證效率達(dá)28%，邁向產(chǎn)業(yè)化路上的攔路虎有哪些？

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，是采用具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化物的金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光層材料的電池，屬于第三代光伏電池。

作為一種新型功能材料，短短十年時(shí)間內(nèi)，其光電轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%快速提升至25%以上，已經(jīng)趕上甚至超過(guò)傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池，其光電器件表現(xiàn)出制備工藝簡(jiǎn)單、低成本、柔性性能優(yōu)異、光電性能突出等優(yōu)勢(shì)，作為光電明星材料在下一代發(fā)光、光伏及探測(cè)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。

鈣鈦礦電池雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在邁向產(chǎn)業(yè)化的道路上仍然有很多問(wèn)題需要克服，例如穩(wěn)定性因素和大面積制備的問(wèn)題等。其中穩(wěn)定性的制約因素較多，主要有內(nèi)在因素（濕度，氧氣）、外在因素（光照，偏壓，加熱等）以及本征不穩(wěn)定性（離子遷移，晶界應(yīng)力，金屬-鈣鈦礦反應(yīng)等）。

針對(duì)效率，穩(wěn)定性，大面積加工，應(yīng)用/成本等鈣鈦礦材料發(fā)展路上的攔路虎，小編整理總結(jié)了幾位大佬的科研成果供大家參考。

1.效率：南京大學(xué)譚海仁課題組全鈣鈦礦最高認(rèn)證效率達(dá)28%。

“雙碳”目標(biāo)是我國(guó)重大戰(zhàn)略決策，而發(fā)展清潔低成本的太陽(yáng)能光伏發(fā)電，則是實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑與技術(shù)保障。南京大學(xué)譚海仁教授課題組圍繞“全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池”這一國(guó)際前沿科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究。近期，譚海仁老師團(tuán)隊(duì)在全鈣鈦礦疊層電池領(lǐng)域取得最新進(jìn)展，經(jīng)日本電氣安全和環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（JET）國(guó)際權(quán)威認(rèn)證的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)28.0%，首次超越了傳統(tǒng)晶硅電池。

與單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相比，全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池有望實(shí)現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），同時(shí)保持較低的制造成本。然而，它們的性能在很大程度上仍然受到Pb-Sn混合窄帶隙鈣鈦礦子電池性能不佳的制約，這主要是由于鈣鈦礦薄膜表面的陷阱密度較高。雖然使用混合2D/3D鈣鈦礦的異質(zhì)結(jié)可以減少表面復(fù)合，但這種常見(jiàn)的策略會(huì)導(dǎo)致傳輸損耗，從而限制器件的填充系數(shù)。
 

圖2. 3D/3D雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及窄帶隙鈣鈦礦電池光伏性能。a,含有3D/3D雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)（PHJ）的窄帶隙鈣鈦礦電池器件結(jié)構(gòu)。b,3D/3D雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的截面HR-STEM圖和相應(yīng)的EDX圖。c,PHJ鈣鈦礦薄膜的飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜圖。d,對(duì)照器件（control）和PHJ窄帶隙鈣鈦礦電池的光伏性能統(tǒng)計(jì)圖。e,最佳性能PHJ鈣鈦礦電池的J-V曲線。DOI:
10.1038/s41586-023-06278-z

基于此，譚海仁教授課題組在Pb-Sn鈣鈦礦/電子傳輸層界面開(kāi)發(fā)了一種具有II型能帶結(jié)構(gòu)的不混溶3D/3D雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)，以抑制界面非輻射復(fù)合并促進(jìn)電荷提取。雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)是通過(guò)混合蒸發(fā)/溶液處理方法在混合Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦頂部沉積一層鉛鹵化物寬帶隙鈣鈦礦形成的。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)使我們能夠?qū)⒕哂?.2µm 厚吸收層的Pb-Sn鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的PCE提高到23.8%，同時(shí)具有0.873V的高開(kāi)路電壓(Voc)和82.6%的高填充因子。因此，我們證明全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池的PCE達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的28.5%（認(rèn)證為28.0%）。在模擬單太陽(yáng)光照下連續(xù)運(yùn)行600小時(shí)后，封裝的串聯(lián)器件仍能保持90%以上的初始性能。

2.穩(wěn)定性：蘇州大學(xué)李耀文課題組在高效穩(wěn)定、環(huán)境友好的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及組件方面的新進(jìn)展

近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展迅猛，其認(rèn)證效率已經(jīng)突破26.1%。使用非摻雜HTLs是穩(wěn)定n-i-p pero-SCs的關(guān)鍵。然而，這些HTL材料通常需要使用有毒溶劑氯苯（CB）進(jìn)行加工，不適合工業(yè)生產(chǎn)。而使用綠色溶劑時(shí)，由于HTL材料在溶劑中的溶解度有限，導(dǎo)致薄膜形貌不理想，會(huì)大幅犧牲器件性能。為了解決這一問(wèn)題，蘇州大學(xué)李耀文教授等人通過(guò)引入不對(duì)稱極性低聚乙二醇（OEG）側(cè)鏈，設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱線性有機(jī)小分子BDT-C8-3O。
 

圖3.(a)BDT-DC8和BDT-C8-3O的分子結(jié)構(gòu)。(b)BDT-DC8和BDT-C8-3O的薄層色譜實(shí)驗(yàn)的Rf值和水接觸角測(cè)量。(c)漢森空間示意圖及利用其來(lái)評(píng)估溶質(zhì)和溶劑在三維坐標(biāo)系中的溶解情況。(d)BDT-DC8和(e)BDT-C8-3O的漢森溶解度參數(shù)。
DOI:10.1002/anie.202312231

這種方法不僅克服了在綠色溶劑中的溶解度限制，還能將共軛主鏈以兩種模式堆疊，從而進(jìn)一步提高結(jié)晶度和空穴遷移率。因此，基于氯苯或綠色（天然化合物）溶劑3-甲基環(huán)己酮加工的BDT-C8-3O HTL 的ni-p鈣鈦礦太陽(yáng)能電池不含任何摻雜劑，其功率轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了24.11%（認(rèn)證值為23.82%）和23.53%，創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。這些器件還表現(xiàn)出卓越的工作穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，在2000小時(shí)內(nèi)分別保持了超過(guò)84%和79.5%的初始效率。令人鼓舞的是，不含摻雜劑的BDT-C8-3O HTL 在大面積制造方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，即使在使用綠色溶劑加工時(shí)，5×5平方厘米模塊（有效面積：15.64平方厘米）的PCE也超過(guò)了20%。

3.大面積加工：華中科技大學(xué)陳煒課題組——高效率薄膜太陽(yáng)能組件中刮涂大面積、高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜所需的溶劑體系

在過(guò)去的近十年，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）取得了顯著進(jìn)展。該類型的薄膜電池一直是近年光伏技術(shù)的重點(diǎn)，顯示出巨大的商業(yè)化潛力。然而，為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，將小面積PSC過(guò)渡到大面積太陽(yáng)能組件仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。因而簡(jiǎn)單、可重復(fù)的工藝大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜對(duì)于解決這個(gè)問(wèn)題至關(guān)重要。