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研究背景

多結(jié)光伏（PV）因其能夠有效提高太陽能轉(zhuǎn)化效率，尤其是在減少載流子熱化損失方面，成為了研究的熱點(diǎn)。通過集成多個(gè)吸收帶隙，串聯(lián)光伏器件能夠超越單結(jié)電池的輻射極限，實(shí)現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。然而，盡管串聯(lián)光伏技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，特別是鈣鈦礦材料在二端子串聯(lián)電池中的應(yīng)用，但鈣鈦礦材料尤其是錫鉛鈣鈦礦（Sn–Pb）材料的穩(wěn)定性和光電性能仍面臨挑戰(zhàn)。錫鉛鈣鈦礦材料易發(fā)生Sn(II)氧化為Sn(IV)，且晶化過程難以控制，這限制了其在高效光伏器件中的應(yīng)用。

為了解決這些問題，牛津大學(xué)Henry J. Snaith教授（英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士）團(tuán)隊(duì)、Shuaifeng Hu（華中科技大學(xué)校友一作兼通訊）以及京都大學(xué)Atsushi Wakamiya攜手在Nature期刊上發(fā)表了題為“Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics”的最新論文。

研究人員通過改善錫鉛鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的化學(xué)性質(zhì)，提出了一種利用氨基酸鹽（如甘氨酸鹽酸鹽）優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的方法。通過調(diào)控溶液中不同功能基團(tuán)的相互作用，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，羧酸和銨鹽基團(tuán)在薄膜的結(jié)晶和光電性能中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

此外，將這兩種基團(tuán)結(jié)合在同一分子中的氨基酸鹽能顯著提升鈣鈦礦薄膜的均勻性和半導(dǎo)體性能，從而改善器件效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過這種優(yōu)化的錫鉛鈣鈦礦材料，研究人員成功制造出了單結(jié)、雙結(jié)和三結(jié)太陽能電池，分別實(shí)現(xiàn)了23.9%、29.7%（認(rèn)證值29.26%）和28.7%的PCE。

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研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次通過優(yōu)化錫鉛鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的化學(xué)組成，揭示了Sn(II)物種在前驅(qū)體和添加劑之間的主導(dǎo)作用，并明確了羧酸在調(diào)節(jié)溶液膠體性質(zhì)和薄膜結(jié)晶中的獨(dú)特作用。通過添加銨鹽，顯著改善了薄膜的光電性能。

（2）實(shí)驗(yàn)通過將氨基酸鹽（如甘氨酸鹽酸鹽、苯乙銨氯化物等）應(yīng)用于鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，發(fā)現(xiàn)這些材料能夠結(jié)合銨基和羧基兩種功能團(tuán)，顯著提高了薄膜的均勻性和半導(dǎo)體質(zhì)量，超越了單獨(dú)使用這些功能團(tuán)的效果。

（3）在優(yōu)化后的錫鉛鈣鈦礦層上，制備的單結(jié)、雙結(jié)和三結(jié)光伏器件分別獲得了23.9%、29.7%（認(rèn)證值29.26%）和28.7%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。特別是1cm2的三結(jié)器件在最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）測(cè)試中，達(dá)到了28.4%的PCE（認(rèn)證值27.28%）。

（4）實(shí)驗(yàn)還制備了四結(jié)光伏器件，取得了27.9%的PCE，并獲得了4.94V的開路電壓。封裝后的三結(jié)電池在860小時(shí)的最大功率點(diǎn)跟蹤測(cè)試中，保持了80%的初始效率。

圖文解讀

圖1：Sn–Pb鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的化學(xué)性質(zhì)

圖2：Sn–Pb鈣鈦礦薄膜的形貌、晶體結(jié)構(gòu)和電子特性

圖3：Sn–Pb鈣鈦礦薄膜的光電性能表征

圖4：太陽能電池器件

結(jié)論展望

本文揭示了前驅(qū)體溶液中Sn(II)物種的主導(dǎo)作用，并指出羧酸和銨基功能團(tuán)在調(diào)節(jié)溶液膠體性質(zhì)及薄膜結(jié)晶方面的獨(dú)特貢獻(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)為提高錫鉛鈣鈦礦薄膜的均勻性和光電性能提供了理論支持。其次，作者通過氨基酸鹽的引入，展示了氨基酸鹽在改善薄膜半導(dǎo)體質(zhì)量和光電性能方面的潛力，特別是結(jié)合了羧基和銨基的功能團(tuán)，能夠超越單一功能基團(tuán)的效果。這一思路不僅提升了鈣鈦礦光伏器件的效率，還推動(dòng)了多結(jié)光伏電池效率的進(jìn)一步突破。最后，研究表明，通過優(yōu)化薄膜材料和前驅(qū)體溶液的化學(xué)成分，能夠有效提升多結(jié)光伏器件的穩(wěn)定性和效率，為下一代高效太陽能電池的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。該研究為全鈣鈦礦太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路和方法，有望推動(dòng)光伏技術(shù)在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息

Hu, S., Wang, J., Zhao, P. et al. Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics. Nature (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/12/25/c2f8c1b0db/

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