華中科技大學王鳴魁團隊于 Advanced Energy Materials 第30期發(fā)表了一項創(chuàng)新的方法，通過使用具有推拉電子結構配置的π共軛分子來調節(jié)埋藏界面，從而提高三陽離子鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓（Voc）。研究人員在鈣鈦礦太陽能電池中使用了氧化錫納米晶作為電子傳輸層，并發(fā)現(xiàn)新型化學材料能夠顯著降低界面能障并鈍化埋藏界面的缺陷。這種方法將Cs0.05(FA 0.85 MA0.15)0.95Pb(I 0.85 Br 0.15)3（帶隙約為1.60 eV）鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓提高到1.241 V，并且在標準測試條件下的轉換效率達到24.16%。當使用Cs 0.05 MA0.05 FA0.9 PbI 3（帶隙約為1.54 eV）鈣鈦礦太陽能電池時，甚至可以達到更高的效率25.11%。這個開路電壓是三陽離子鈣鈦礦太陽能電池中最高的，達到了肖克利-奎瑟極限的95%。此外，研究人員還制作了能量轉換裝置，通過將兩個鈣鈦礦微模塊串聯(lián)起來驅動二氧化碳電解槽，實現(xiàn)了11.76%的太陽能到CO的轉換效率，這在整合鈣鈦礦光伏進行太陽能驅動的CO2轉換方面樹立了一個新的基準。

導讀目錄

1.          引言

2.          研究動機與研究手法

3.          研究成果解析與表征設備運用

研究動機與研究手法

本研究主要想要解決鈣鈦礦太陽能電池研究中會遇到的瓶頸

1.      開路電壓（Voc）的損失：旨在減少開路電壓的損失，這是提高太陽能電池性能的關鍵。開路電壓（Voc）的損失：研究旨在減少開路電壓的損失，這是提高太陽能電池性能的關鍵。

2.      功率轉換效率（PCE）：研究目標是提升鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率。

3.      界面缺陷：針對埋藏界面處的缺陷進行改善，缺陷會導致非輻射復合損失。

4.      電荷轉移效率：旨在提高電荷轉移效率，從而降低界面非輻射載流子復合。

5.      穩(wěn)定性問題：尋求解決太陽能電池的長期穩(wěn)定性問題。

6.      CO2轉換效率：研究旨在提高太陽能到CO的轉換效率，這是太陽能電池在再生能源應用中的一個重要方面。

研究團隊針對上述的缺陷觀察后，進行了多種的研究程序進行優(yōu)化調整包含材料的準備，

1. 界面修飾：制備SnO2-KCl溶液和鈣鈦礦前驅體溶液，并進行界面修飾。

2. 太陽能電池制備：清潔ITO玻璃，沉積SnO2層，旋涂鈣鈦礦前驅體溶液，并進行退火處理。

3. 電池組裝：旋涂BAI溶液和Spiro-OMeTAD作為HTL，沉積P3HT層，以及使用熱蒸發(fā)法沉積金電極。

4. 電池J-V特性和IPCE性能測量，以評估太陽能電池的性能。另進行表面形態(tài)和組成分析。

5. PL和TRPL光學和電學特性分析，及UPS和XPS分析。

6. 測量PLQY和EQEEL量子效率。
        

7. 電化學阻抗譜分析和電化學工作站測量。

8. 缺陷形成能DFT的計算。

9. 對測量數據進行分析，并與其他研究進行性能比較。

研究成果解析與表征設備運用

本研究團隊開發(fā)了一種調節(jié)埋藏界面的方法，使用具有推拉電子結構配置的π共軛分子，特別是C3F7-MA，來鈍化缺陷并降低界面能障。
進而實現(xiàn)了高達1.241 V的開路電壓（Voc），這是三陽離子鈣鈦礦太陽能電池中報告的最高Voc之一。

另外，在標準測試條件下，達到了24.16%的功率轉換效率（PCE）。
經封裝的PSC在連續(xù)1太陽照射1000小時后，在MPP跟蹤條件下在50-55°C下保持了94.5%的初始PCE，顯示出運行穩(wěn)定性。當用作CO2還原的電源時，實現(xiàn)了11.76%的太陽能到CO的轉換效率。

研究過程中使用了大量的表征設備來進行量測，以利后續(xù)的數據分析及改善優(yōu)化，方能達成上述的研究成果，如: X射線光電子能譜（XPS）分析材料表面的化學組成和電子結構，特別是研究中提到的Pb4f、I3d、Sn3d、F1s和N1s的能譜; 紫外-可見吸收光譜（UV-vis）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）、時間分辨光致發(fā)光譜（TRPL）、光致發(fā)光量子產率（PLQY）、凱爾文探針力顯微鏡（KPFM）等。

其中，研究團隊采用光焱科技Enlitech鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統(tǒng)(REPS, 又稱ELCT-3010) 藉以達成了本研究中最關鍵性的一個突破記錄 “ 開路電壓（Voc）”的量測。

光焱科技Enlitech REPS 不僅可以檢測極低的 EL-EQE 信號（低至 10-6%，即 8 個數量級），還可以計算熱力學 Voc、輻射復合 Voc 和非輻射復合 Voc（通過其軟件 SQ-VLA）。此外，它還可以在一個柱狀圖中分析不同類型設備之間的 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3 損耗。最重要的是，分析軟件可以幫助用戶將計算出的 Voc-loss 與設備 IV 曲線的真實 Voc-loss 進行匹配，從而促進研究進展和期刊發(fā)表。

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文獻參考自Advanced Energy Materials 06 August 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402469

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