【產(chǎn)通社，10月22日訊】南方科技大學(xué)（Southern University of Science and Technology, SUSTech）官網(wǎng)消息，機(jī)械與能源工程系助理教授丘龍斌研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)鈣鈦礦光伏組件及疊層器件界面電荷復(fù)合及可規(guī)�；练e工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究并取得一系列研究進(jìn)展，相繼發(fā)表在Advanced Functional Materials，Advanced Science，Small，Journal of Alloys and Compounds等國(guó)際期刊上發(fā)表4篇論文。

近年來，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料因其具有帶隙可調(diào)，長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，高的吸光系數(shù)以及低的載流子結(jié)合能等優(yōu)異的光電特性而引起了研究者的廣泛關(guān)注。目前，單結(jié)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已從最初的3.8%上升到26.1%。然而，高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及可重復(fù)性依然是制約其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。由于鈣鈦礦材料是離子型化合物，在快速結(jié)晶過程中會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響鈣鈦礦的光電轉(zhuǎn)化效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。眾所周知，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的埋底界面存在大量的孔洞和缺陷，導(dǎo)致嚴(yán)重的非輻射復(fù)合。因此，鈍化埋底界面缺陷對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有十分重要的作用。本研究團(tuán)隊(duì)提出了以介電層氧化鋁納米顆粒和PEABr修飾鈣鈦礦埋底界面的策略，減少了埋底界面的孔洞，形成平坦而致密的形貌，顯著改善了鈣鈦礦和空穴傳輸層的接觸。同時(shí)，采用PEABr鈍化鈣鈦礦表面缺陷，抑制鈣鈦礦表面的非輻射復(fù)合。該雙層鈍化的策略大幅度提升了反式器件的開路電壓，從而使得反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池小面積（0.1cm2）和大面積PSCs（1.0 cm2）的能量轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到23.1%和22.4%，并在最大功率點(diǎn)分別跟蹤1200和2500小時(shí)后保留了初始效率的96%和89%。這項(xiàng)工作提供了一種通過介電層氧化鋁和有機(jī)胺分子鈍化鈣鈦礦上下界面來降低反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面處電壓損失和提高電池穩(wěn)定性的有效方法。該研究成果以“Buried Interface Dielectric Layer Engineering for Highly Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells and Modules”為題發(fā)表在Advanced Science上。

高質(zhì)量的電荷傳輸層和光活性鈣鈦礦層的制備有望實(shí)現(xiàn)可規(guī)模化、高效率、長(zhǎng)期穩(wěn)定的鈣鈦礦光伏組件。在各種空穴傳輸材料中，氧化鎳已被研究用于高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。傳統(tǒng)的沉積方法或較難進(jìn)行大規(guī)模保形沉積，或需要高真空工藝�；瘜W(xué)浴沉積通過溶液工藝可實(shí)現(xiàn)均勻、共形和可規(guī)�；耐繉印Ｈ欢�，傳統(tǒng)的化學(xué)浴沉積氧化鎳需要較高的退火溫度，這阻礙化學(xué)浴沉積氧化鎳在聚合物基底和絨面結(jié)構(gòu)硅底電池上進(jìn)行制備。因此，一個(gè)較低的加工溫度尤為重要。本研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種以氨基醇為配體可控鎳離子釋放和沉積方法，在270°C的低煅燒溫度下得到均勻、共形的氧化鎳薄膜。反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和大面積太陽(yáng)能組件的能量轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到22.03%和19.03%。本工作中所報(bào)道大面積氧化鎳薄膜的高效、低溫、可規(guī)�；幕瘜W(xué)浴沉積路線有望進(jìn)一步提高其在大面積光伏組件的應(yīng)用。該研究成果以“Low-Temperature Chemical Bath Deposition of Conformal and Compact NiOX for Scalable and Efficient Perovskite Solar Modules”為題發(fā)表在Small上。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究者們開發(fā)了多種可規(guī)模化制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工藝。這些可規(guī)�；墓に囍饕譃槿芤悍�、氣相法和氣相-溶液法。溶液法對(duì)設(shè)備要求較低，機(jī)理研究深入，并且容易實(shí)現(xiàn)組分調(diào)節(jié)、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及添加劑工程。然而，溶液法通常要用到DMF、DMSO等有毒溶劑來溶解鈣鈦礦或者PbI2，對(duì)人體和環(huán)境傷害很大。并且如果這種方法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，后續(xù)有毒廢液的處理也會(huì)增加生產(chǎn)成本。氣相法也是一種適合大規(guī)模制備半導(dǎo)體薄膜的工藝，它的優(yōu)勢(shì)在于能夠直接避免有毒溶劑的使用。并且氣相法的制備不受傳輸層基底親疏水性、表面特征結(jié)構(gòu)等因素的影響，這也提供更多的電荷傳輸層選擇。然而，氣相法對(duì)設(shè)備要求高。并且，有機(jī)材料加熱蒸發(fā)后呈現(xiàn)彌散性，如何精準(zhǔn)調(diào)控有機(jī)鹽的蒸發(fā)速率也是一個(gè)不可避免的難題。因此，如何實(shí)現(xiàn)溶液法和氣相法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)發(fā)展綠色高效的鈣鈦礦器件具有重要研究意義。團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種蒸鍍-刮涂工藝并結(jié)合溫度輔助晶體生長(zhǎng)策略制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。最終基于此工藝制備的正式器件實(shí)現(xiàn)了19.8%的光電轉(zhuǎn)換效率。也是目前蒸鍍-刮涂法制備器件的最高效率之一。這種工藝為未來絨面硅-鈣鈦礦太陽(yáng)能疊層電池的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一種高效可行的途徑。該研究成果以“Controllable Blading Interdiffusion of Formamidinium Iodide on Thermal Evaporated Scalable and Conformal Lead Iodide for Efficient Perovskite Solar Cells”發(fā)表在Journal of Alloys and Compounds上。

目前，單節(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了26.1%，已經(jīng)非常接近其SQ理論極限值。為了突破此單節(jié)太陽(yáng)能電池的SQ極限值，構(gòu)建多節(jié)疊層太陽(yáng)能電池可以更有效地利用太陽(yáng)能，降低熱載流子損失，有望實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率大于40%。在各種疊層器件中，鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池利用了有機(jī)光活性層材料和鈣鈦礦對(duì)光的互補(bǔ)吸收的特性，具有杰出的優(yōu)勢(shì)。然而，疊層器件中所用到的寬帶隙鈣鈦礦由于含有較高的Br含量導(dǎo)致易于產(chǎn)生嚴(yán)重的相分離，這不利于器件的穩(wěn)定性。如今解決該問題主要是通過界面工程、體相工程、添加劑工程來抑制相分離，這些方式都需要額外添加材料或條件使得制備工藝變得更加復(fù)雜或者容易引入其它類型的缺陷。

另一方面，制備疊層太陽(yáng)能電池的連接層（ICL）結(jié)構(gòu)通常包含三個(gè)部分：空穴傳輸層/復(fù)合層/電子傳輸層，目前大部分連接層使用的是透明金屬氧化物或一層超薄的金屬（1nm Au或Ag）作為復(fù)合層，這些復(fù)合層通常需要使用高真空或高能設(shè)備，比如磁控濺射或熱蒸鍍等制備方法，工藝比較復(fù)雜，且這些透明金屬氧化物或即使一層超薄的金屬都不可避免的造成光的寄生吸收，即阻擋光的透過被背部電池吸收，從而造成了器件的光學(xué)及電學(xué)損失。

丘龍斌研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于SnOX的無金屬高導(dǎo)電性連接層結(jié)構(gòu)，制備鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池，前電池為寬帶隙鈣鈦礦，背電池為窄帶隙有機(jī)半導(dǎo)體，通過中間連接層串聯(lián)連接。該簡(jiǎn)化的連接層有助于增強(qiáng)器件近紅外區(qū)域的光俘獲，最終實(shí)現(xiàn)器件效率為22.3%。此外，簡(jiǎn)化的連接層結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備及柔性疊層太陽(yáng)能電池具有杰出的優(yōu)勢(shì)。該研究成果以“Phase Segregation and Voltage Loss Mitigated Highly Efficient Perovskite-Organic Tandem Solar Cells with a Simple Ambipolar SnOX Interconnecting Layer”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

丘龍斌為以上系列研究工作論文通訊作者，南科大為論文第一單位，第一作者分別為南方科技大學(xué)博士后李歡、南方科技大學(xué)-哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生李思博、南方科技大學(xué)碩士研究生方駿、南方科技大學(xué)博士研究生謝觀水。以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目、深圳市科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、深圳市政府和南方科技大學(xué)科研啟動(dòng)等基金的資助。論文鏈接：
1、https://doi.org/10.1002/advs.202300586 
2、https://doi.org/10.1002/smll.202301110 
3、https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.170255 
4、https://doi.org/10.1002/adfm.202308794 

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