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研究背景

全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優(yōu)異的光電性能和較低的制造成本，成為了近年來的研究熱點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦，采用無機(jī)陽離子（如Cs⁺）取代有機(jī)陽離子（如甲銨基（MA⁺）和甲脒（FA⁺））的全無機(jī)鈣鈦礦具有更高的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。然而，無機(jī)鈣鈦礦在成膜過程中存在薄膜結(jié)晶不均勻、深陷阱態(tài)和較差的光熱穩(wěn)定性等問題，這些問題嚴(yán)重制約了其在高效、穩(wěn)定太陽能電池中的應(yīng)用，尤其是在全無機(jī)鈣鈦礦疊層太陽能電池中的應(yīng)用仍面臨瓶頸。

成果簡介

為了解決這些問題，華南理工大學(xué)嚴(yán)克友等人在Nature期刊上發(fā)表了題為“Durable all inorganic perovskite tandem photovoltaics”的最新論文。他們提出了一種綠色配體演變（LE）策略，通過在低溫階段使用對甲苯磺酰肼（PTSH）作為配體調(diào)控鈣鈦礦薄膜的成核結(jié)晶，在高溫處理過程中還原Sn⁴⁺為Sn²⁺，有效減少了深能級陷阱態(tài)，同時配體生成的產(chǎn)物對甲苯磺酸（PTSA）進(jìn)一步鈍化了薄膜缺陷。該策略顯著提升了無機(jī)窄帶隙鈣鈦礦（CsPb0.4Sn0.6I3）的光電性能，并成功制備出了帶隙為1.31 eV的鈣鈦礦太陽能電池，獲得了17.41%的破紀(jì)錄效率。

基于此，團(tuán)隊進(jìn)一步結(jié)合帶隙為1.92 eV的CsPbI2Br頂電池，成功構(gòu)建了2端全無機(jī)鈣鈦礦疊層太陽能電池，達(dá)到了22.57%的效率（認(rèn)證為21.92%）。這一研究成果不僅解決了無機(jī)鈣鈦礦薄膜的成膜問題，還有效提升了其穩(wěn)定性，為全無機(jī)鈣鈦礦疊層太陽能電池的高效穩(wěn)定發(fā)展提供了新的理論依據(jù)和技術(shù)路徑。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次采用綠色配體演變策略，調(diào)控全無機(jī)窄帶隙鈣鈦礦薄膜的成核結(jié)晶，成功制備了全球首個2端全無機(jī)鈣鈦礦疊層電池，并解決了無機(jī)窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池效率較低的問題。通過采用對甲苯磺酰肼（PTSH）作為配體，在低溫處理階段調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程，在高溫處理階段將Sn⁴⁺還原為Sn²⁺，減少深陷阱態(tài)，提升薄膜質(zhì)量。

（2）實(shí)驗(yàn)通過優(yōu)化鈣鈦礦薄膜成核過程及引入配體鈍化缺陷態(tài)，制備了帶隙為1.31 eV的CsPb0.4Sn0.6I3無機(jī)窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池，獲得了17.41%的破紀(jì)錄效率。進(jìn)一步將該無機(jī)窄帶隙電池與帶隙為1.92 eV的CsPbI2Br頂電池結(jié)合，成功構(gòu)建了2端全無機(jī)鈣鈦礦疊層太陽能電池，整體效率達(dá)22.57%（認(rèn)證為21.92%）。

（3）實(shí)驗(yàn)通過光熱穩(wěn)定性測試，驗(yàn)證了該2端全無機(jī)鈣鈦礦疊層電池的優(yōu)異穩(wěn)定性，在85℃光熱老化測試中保持80%的初始效率，表現(xiàn)出優(yōu)于有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦疊層電池的光熱穩(wěn)定性。

圖文導(dǎo)讀

圖1：LE改善了無機(jī)NBG PSC的性能。

圖2：LE改善了鈣鈦礦的結(jié)晶和微觀結(jié)構(gòu)。

圖3：監(jiān)測LE的相互作用機(jī)制。

圖4：優(yōu)化的2T IPTSC的PV和穩(wěn)定性性能。

結(jié)論展望

全無機(jī)鈣鈦礦材料在提高光熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢，尤其在疊層太陽能電池中的應(yīng)用，展示了其解決光熱穩(wěn)定性差問題的潛力。本文通過用無機(jī)陽離子（如Cs+）替代有機(jī)陽離子（如甲銨基和甲脒）來制備全無機(jī)鈣鈦礦，成功克服了有機(jī)鈣鈦礦電池中的長期穩(wěn)定性問題。這一策略不僅推動了全無機(jī)鈣鈦礦的高效應(yīng)用，還為高效穩(wěn)定的2端鈣鈦礦疊層電池的開發(fā)提供了新思路。

其次，配體演變策略的提出為無機(jī)窄帶隙鈣鈦礦的薄膜制備提供了新的技術(shù)路徑。通過調(diào)控配體演變，研究者成功調(diào)節(jié)了薄膜結(jié)晶過程，降低了深能級陷阱態(tài)，提高了鈣鈦礦電池的效率與穩(wěn)定性。這一方法為解決低效薄膜和深陷阱態(tài)問題提供了重要的理論依據(jù)，也為進(jìn)一步提升無機(jī)窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池的性能打下了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)信息

Duan, C., Zhang, K., Peng, Z. et al. Durable all inorganic perovskite tandem photovoltaics. Nature (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/12/02/0d498a20c7/

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