鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優異的光電轉換效率和低成本制備，在過去十年間引發了廣泛的研究熱潮，并被認為是最有潛力替代傳統硅太陽能電池的下一代光伏技術之一。然而，鈣鈦礦太陽能電池的穩定性一直是限制其實際應用的主要障礙。
南方科技大學王湘麟教授團隊聯合阿卜杜拉國王科技大學 (KAUST) Stefaan De Wolf 教授近期取得重大突破，通過缺陷管理和離子滲透阻擋策略，成功研發出高性能、高穩定性的鈣鈦礦太陽能電池，其能量轉換效率達到驚人的 25.1%，這項研究成果發表在美國化學學會期刊《ACS Energy Letters》上。
鈣鈦礦太陽能電池穩定性挑戰
鈣鈦礦材料的本質缺陷和外部環境的影響，會導致鈣鈦礦太陽能電池的性能衰退，主要體現在以下幾個方面：
l 缺陷： 鈣鈦礦材料的晶格中存在各種缺陷，例如空位缺陷、間隙缺陷和反位缺陷等。這些缺陷會充當電荷陷阱，導致電荷重組，降低器件的效率和穩定性。
l 離子遷移： 鈣鈦礦材料中的離子，例如碘離子和有機胺離子，在電場作用下會發生遷移，導致器件的電流-電壓特性發生變化，并影響器件的穩定性。
l 水分和氧氣： 鈣鈦礦材料對水分和氧氣敏感，會發生降解，影響器件的性能和壽命。
本研究使用設備
SS-X系列AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器
QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
缺陷管理與離子滲透阻擋策略的雙重作用
王湘麟教授團隊針對鈣鈦礦太陽能電池的穩定性挑戰，提出了創新的缺陷管理和離子滲透阻擋策略。
缺陷管理： 團隊使用苯肼-4-磺酸 (PHPA) 作為添加劑，在鈣鈦礦薄膜形成過程中調節晶體生長。PHPA 的作用機制主要包括：
l抑制碘空位 (VI) 的形成： DFT 計算表明 PHPA 可以與鈣鈦礦晶格中的 Pb2+ 離子形成配位鍵，有效抑制碘空位的形成，減少電荷陷阱，提高電荷轉移效率。
l鈍化配位不足的 Pb2+ 離子： PHPA 可以與位于鈣鈦礦晶格表面的配位不足的 Pb2+ 離子形成配位鍵，降低缺陷密度，提高材料的穩定性。
離子滲透阻擋： 團隊使用全氟辛酸 (PFOA) 來鈍化位于鈣鈦礦表面上的懸掛 Pb2+ 缺陷，提高表面疏水性，并抑制 Li+ 離子從空穴傳輸層 (HTL) 向鈣鈦礦底部遷移。PFOA 的作用機制主要包括：
l鈍化表面缺陷： PFOA 可以與位于鈣鈦礦表面上的懸掛 Pb2+ 離子形成配位鍵，有效鈍化缺陷，降低電荷重組。
l提高表面疏水性： PFOA 是疏水性物質，可以有效提高鈣鈦礦薄膜的表面疏水性，減少水分和氧氣的滲透，提高器件的環境穩定性。
l抑制 Li+ 離子遷移： PFOA 可以形成疏水性保護層，有效阻擋 Li+ 離子從 HTL 向鈣鈦礦底部遷移，提高器件的操作穩定性。
Enlitech 量測設備助攻研究突破
王湘麟教授團隊在研究中使用了光焱科技 (Enlitech) 的 SS-X 系列太陽光模擬器和 QE-R 量子效率測試儀，這兩款設備在鈣鈦礦太陽能電池的性能測試和評估中發揮了至關重要的作用。
-SS-X AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器 可以精確模擬太陽光譜，為鈣鈦礦太陽能電池提供真實的測試環境，確保測試結果的準確性和可靠性。該設備模擬光譜的精度和穩定性，對於準確評估鈣鈦礦太陽能電池的性能至關重要。
-QE-R 量子效率測試儀 則可以測量不同波長光照下器件的外部量子效率 (EQE)，幫助研究人員分析光電轉換過程，優化器件結構和材料選擇。該設備能夠提供關于器件在不同波長下光電轉換效率的信息，幫助研究人員深入了解材料的光電特性，並優化器件設計，提高能量轉換效率。
高效率、高穩定性的突破性成果
通過缺陷管理和離子滲透阻擋策略的雙重作用，以及 Enlitech 量測設備的輔助，王湘麟教授團隊成功研發出具有高效率和高穩定性的鈣鈦礦太陽能電池，其能量轉換效率達到 25.1%，并且在最大功率點 (MPP) 跟蹤測試中表現出優異的穩定性。
未來展望
王湘麟教授團隊的突破性研究成果，為鈣鈦礦太陽能電池的實際應用開闢了新的道路。未來，研究人員將繼續探索更有效的缺陷管理和離子滲透阻擋策略，并結合先進的表徵手段和模擬計算，進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性，推動該技術走向商業化應用。
本文參數圖:
Fig. S17_ 該圖顯示了不同薄膜的器件在不同環境條件下的穩定性測試結果。 在相同的環境條件下，PHPA+PFOA 薄膜器件比 Control 器件表現出更優異的穩定性。圖 S17a 突出了環境穩定性的顯著提高，其中 PHPA+PFOA 器件在暴露于環境條件下 5000 小時后仍保持其初始 PCE 的 88% 以上，而 Control 器件僅保留其初始值的 60%。此外，PHPA+PFOA 薄膜器件在高溫高濕條件下表現出非凡的穩定性，如圖 17d 所示。在暴露于空氣中 10 天后，PHPA+PFOA 器件保持其初始 PCE 的 89% 以上，而 Control 器件的性能迅速下降到其初始值的 25%。這些結果表明，PHPA+PFOA 器件比 Control 器件具有更優異的穩定性，尤其是在高溫高濕條件下。這種增強的穩定性可以歸因于幾個因素，包括添加 PHPA 和 PFOA 改性所導致的缺陷密度降低、疏水性提高以及離子遷移抑制。
重要性： 該圖證明了 PHPA 和 PFOA 的添加可以有效提高鈣鈦礦太陽能電池的環境和操作穩定性，這是該研究中最重要的成果之一。
Figure S6. Steady-state photoluminescence (PL) spectra for perovskite films the Control, PHPA, and PHPA+PFOA
該圖顯示了不同薄膜的穩態光致發光 (PL) 光譜。 與 Control 薄膜相比，PHPA 薄膜的 PL 強度更強，表明在添加 PHPA 后，薄膜的非輻射重組被有效抑制。在進行 PFOA 改性后，得到的 PHPA+PFOA 薄膜的 PL 強度。
重要性： 該圖表明 PHPA 和 PFOA 可以有效降低鈣鈦礦薄膜的非輻射重組，從而提高其光電轉換效率。
Fig S14. (a) Steady-state PL and (b) TRPL spectra of Glass/PVSK/PFOA, Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD and Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD. 該圖顯示了不同薄膜的穩態 PL 和 TRPL 光譜。為了研究 PFOA 對空穴提取的影響，研究人員對 Glass/PVSK/PFOA、Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 和 Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜進行了 PL 和 TRPL 測量。如圖 a 所示，Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜的 PL 猝滅速度快于 Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 薄膜，表明 PFOA 改性可以提高空穴提取效率。這種機制可能是由于功函數的降低造成的，這一點得到了 KPFM 結果的支持。進一步進行了時間分辨 PL (TRPL) 測量，以確定 Glass/PVSK/PFOA、Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 和 Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜的載流子壽命。如圖 b 所示，Glass/PVSK/PFOA、Glass/PVSK/Spiro-OMeTAD 和 Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜的平均載流子壽命分別為 265.92 ns、101.89 ns 和 88.02 ns。Glass/PVSK/PFOA/Spiro-OMeTAD 薄膜中觀察到的最短載流子壽命與其最快的 PL 猝滅行為相一致，這進一步表明 PFOA 改性可以促進載流子提取。
重要性： 該圖表明 PFOA 可以促進空穴提取，提高器件的性能。
Figure S16. Jsc to the light intensity plots of PSCs. 該圖顯示了 PSC 的短路電流密度 (Jsc) 與光強度的關系圖。Jsc 與光強度的關係表明，PHPA+PFOA 器件的 α 值最佳為 0.95，表明其具有最高的電荷載流子提取效率。
重要性： 該圖表明 PHPA 和 PFOA 的添加可以提高器件的電荷載流子提取效率，從而提高器件的性能。
原文出處: ACS Energy Lett. 2024, 9
推薦設備_
1. QE-R_世界上流行和值得信賴的 QE / IPCE 系統
具有以下特色優勢：
l高精度: QE-R 系統采用高精度光譜儀和校準光源，確保 EQE 測量的準確性和可靠性。
l寬光譜范圍: QE-R 系統的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。
l快速測量: QE-R 系統具有快速掃描和數據采集功能，能夠高效地進行 EQE 光譜測量。
l易于操作: QE-R 系統軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學者也能輕松上手。
l多功能: QE-R 系統不僅可以進行 EQE 測量，還可以進行反射率、透射率等光學特性的測量，具有多功能性。
2. LQ-100X-PL 光致發光與發光量子產率測試系統
具有以下特色優勢：
l以緊湊的設計，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配 4 吋外徑 PTFE 材質的積分球，并且整合 NIST 追溯的校準，讓手套箱整合 PL 與 PLQY 成為可能。
l利用先進的儀表控制程序，可以進行原位時間 PL 光譜解析，并且可產生 2D 與 3D 圖表，說明用戶可以更快地表征材料在原位時間的變化。
系統光學設計可容易的做紅外擴展，波長由1000 nm 至 1700 nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可兼容測試。
