引言

在探尋高效率太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)的道路上，全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池由于其突破單結(jié)晶太陽能電池效率限制的潛力而備受矚目。然而，其效率提升卻受限于錫-鉛混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷所引發(fā)的非輻射復(fù)合損失。

華中科技大學(xué)劉宗豪和陳煒于《Nature Communications》(26 Aug.DOI 10.1038/ s41467-024-51703-0)提出了一種創(chuàng)新的表面重建策略，透過使用1,4-丁二胺作為化學(xué)拋光劑和乙二胺二碘化物作為表面鈍化劑，有效消除了與錫相關(guān)的缺陷，并對抗有機陽離子和鹵化物空位的缺陷。這一策略不僅提升了錫-鉛混合鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，還在鈣鈦礦/電子傳輸層界面處最小化了非輻射能量損失。結(jié)果顯示，經(jīng)此改良的錫-鉛混合鈣鈦礦太陽能電池達到了22.65%和23.32%的能量轉(zhuǎn)換效率，而全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的認證能量轉(zhuǎn)換效率更是一舉達到了28.49%。

導(dǎo)讀目錄

1.    引言

2.    研究目的

3.    研究方法

4.    器件與表征

5.    結(jié)論

研究目的

1. 開發(fā)一種表面重建策略，以消除Sn–Pb混合鈣鈦礦薄膜中的Sn相關(guān)缺陷，并鈍化有機陽離子和鹵化物空位缺陷。

2. 利用化學(xué)拋光劑BDA（1,4-丁二胺）和表面鈍化劑EDAI2（乙二胺二碘化物）來提高鈣鈦礦薄膜的表面質(zhì)量。

3. 減少非輻射能量損失，特別是在鈣鈦礦/電子傳輸層界面處。

4. 提升Sn–Pb混合鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率

5. 實現(xiàn)兩結(jié)全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的高認證能量轉(zhuǎn)換效率

6. 通過長時間的最大功率點跟蹤（MPPT）測試，證明經(jīng)過表面改造的太陽能電池具有良好的穩(wěn)定性和耐用性。

研究方法

研究團隊的研究重點是提升全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池（TSCs）的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE），特別是通過減少Sn–Pb混合鈣鈦礦薄膜表面的非輻射性載流子復(fù)合損失來實現(xiàn)這一目標。他們進行了一項表面重建策略，使用化學(xué)拋光劑1,4-丁二胺（BDA）和表面鈍化劑乙基二胺二碘化物（EDAI2）來消除Sn相關(guān)的缺陷并鈍化有機陽離子和鹵化物空位缺陷。

研究團隊進行的具體步驟包括：

1. 使用不同濃度的BDA/IPA溶液處理鈣鈦礦表面，以鈍化表面并獲得致密形態(tài)。
        

2. 通過形態(tài)分析來觀察處理后的鈣鈦礦表面變化。

3. 使用密度泛函理論（DFT）計算來模擬BDA與Sn-rich表面的相互作用。
        

4. 進行電子定位函數(shù)（ELF）分析來可視化BDA如何通過Sn-N鍵合來鈍化缺陷。

5. 使用光致衰減譜（TAS）方法來測量控制和BDA-EDAI2改性PSC的非輻射復(fù)合。

6. 通過殘余應(yīng)力分析來計算鈣鈦礦表面薄膜上的殘余應(yīng)力。

器件與表征

材料表征

• X射線繞射（XRD）分析： 使用X射線繞射儀進行，以研究晶體結(jié)構(gòu)。

• 掠入射X射線繞射（GIXRD）： 使用X射線繞射儀進行，以研究材料的殘留應(yīng)力和組成均勻性。

• 紫外光電子能譜（UPS）測量： 使用紫外光電子能譜儀進行，搭配He放電燈（hv = 21.22 eV）作為激發(fā)源。

• 電子定位函數(shù)（ELF）分析： 通過在(010)鈣鈦礦晶格平面上的ELF圖來展示化學(xué)鍵的強度和位置。

器件表征

• 光致衰減譜（TAS）： 用于測量控制和BDA-EDAI2改性PSC的非輻射復(fù)合。

• 光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）測量： 使用熒光光譜儀進行。

• 電致發(fā)光量子效率（EQEEL）測量： 使用電致發(fā)光量子效率測量儀（Enlitech）進行。研究團隊使用Enlitech的產(chǎn)品ELCT-3010（現(xiàn)REPS鈣鈦礦光伏Voc損耗分析系統(tǒng)）來進行電致發(fā)光量子效率（EQEEL）測量。這種測量是為了評估電致發(fā)光材料和器件的發(fā)光效率。

  
       
       
       圖3說明：
       a. PCE：顯示不同處理下的PCE分布，經(jīng)過BDA和EDAI?處理的樣品PCE提升顯著。b. J-V曲線：展示了在主動區(qū)域為0.0871 cm2的器件在不同處理下的電流密度-電壓特性。BDA和EDAI?處理后的樣品顯示出更好的電性能。c. EQE（外量子效率）圖：顯示不同波長下的EQE值。BDA-EDAI?處理后的樣品在大多數(shù)波長下的EQE略高。d. 光強度依賴的開路電壓（V_OC）：顯示在不同光強度下的V_OC。經(jīng)過BDA-EDAI?處理的樣品在低光強下顯示出更高的V_OC。e. EQEEL（電致發(fā)光量子效率）圖：顯示在不同電流密度下的EQEEL。BDA-EDAI?處理后的樣品顯示出更高的EQEEL，表明電性能和發(fā)光性能的提升。f. 電壓損失機制圖：展示了控制組和BDA-EDAI?處理后樣品的電壓損失途徑。處理后的樣品顯示出更小的電壓損失，表明界面和鈣鈦礦層的改善。

圖片4c說明：
經(jīng)過BDA-EDAI2修飾的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的電流密度-電壓特性。圖中顯示了在正向和反向掃描下的性能數(shù)據(jù)，并且報告了這些器件在不同掃描方向下的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），分別為28.80%（反向掃描）和28.76%（正向掃描）。這些數(shù)據(jù)表明，BDA-EDAI2修飾顯著提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率，是研究中重要的性能指針。

在進行測量時，研究團隊會將樣品放置在ELCT-3010儀器中，該儀器能夠提供必要的電壓和電流來激發(fā)樣品發(fā)光，并精確地測量發(fā)光的強度。通過這種方式，研究人員可以計算出EQEEL值，從而了解器件將電能轉(zhuǎn)化為光能的效率。Enlitech的ELCT-3010產(chǎn)品專門設(shè)計用于這種應(yīng)用，能夠提供準確和可靠的測量結(jié)果。

光焱科技Enlitech REPS實際裝機示意照

• J-V曲線測量： 用來評估太陽能電池的性能參數(shù)，如開路電壓（VOC）、短路電流密度（JSC）、填充因子（FF）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
       
       圖4b說明：
       太陽能電池參數(shù)統(tǒng)計：比較了控制組和經(jīng)過BDA-EDAI?處理后的串聯(lián)器件的開路電壓（V_OC）、短路電流密度（J_SC）、填充因子（FF）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。處理后的樣品在所有指標上均有提升。
       
       

外部量子效率（EQE）： 用來評估太陽能電池對不同波長光的轉(zhuǎn)換效率。

圖片4d：
EQE光譜：顯示WBG和NBG子電池的EQE光譜，計算出J_SC分別為15.70 mA/cm2和15.32 mA/cm2。缺陷密度狀態(tài)（tDOS）分析： 用來分析控制和BDA-EDAI2改性PSC的缺陷能級分布。

• 存儲時間下的性能穩(wěn)定性測試： 包括在不同條件下的封裝設(shè)備和最大功率點跟蹤（MPPT）下的設(shè)備性能。

結(jié)論

研究團隊在這項研究中成功地展示了一種創(chuàng)新的表面重建策略，通過使用1,4-丁二胺（BDA）作為化學(xué)拋光劑，結(jié)合乙二胺二碘化物（EDAI2）作為表面鈍化劑，顯著提升了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的效率。我們的策略有效地消除了錫鉛混合鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷，并抑制了界面非輻射復(fù)合損失，從而實現(xiàn)了接近理想的功率轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過BDA-EDAI2修飾的器件不僅在小面積測試中達到了28.49%的認證效率，還在長時間的穩(wěn)定性測試中保持了優(yōu)異的性能。這一突破性進展不僅為提高鈣鈦礦太陽能電池的效率提供了新的思路，也為未來的光伏技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。我們相信，這一研究將激發(fā)更多關(guān)于表面工程和材料優(yōu)化的探索，推動可再生能源技術(shù)的進一步革新。

文獻參考自Nature Communications 26 Aug._DOI：10.1038/ s41467-024-51703-0

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