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【頂刊動態】從AM/AFM/JACS期刊發文看太陽能電池最新進展

來源：科學10分鐘時間：2022-01-11 19:22:09 瀏覽：3912次

引言

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置，是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片，又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，在物理學上稱為太陽能光伏。其基本原理是，當太陽光照在半導體p-n結上時，形成新的空穴-電子對，在p-n結內建電場的作用下，光生空穴流向p區，光生電子流向n區，接通電路后就可產生電流。

目前，太陽能電池主要以半導體材料為基礎，根據太陽能電池的基本特性，可以將其劃分為硅太陽能電池；以無機鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；功能高分子材料制備的太陽能電池；納米晶太陽能電池等幾大類。隨著傳統化石能源的枯竭，對太陽能、生物質能等綠色新能源的開發迫在眉睫，對太陽能電池的研究也逐漸成為當前學術領域的焦點之一。

國內外許多太陽能電池領域的工作者共同推進了該領域的發展，鑒于此，筆者一覽國內外頂級期刊上近期對太陽能電池的研究，介紹解讀了其中部分有關太陽能電池的最新研究成果，希望能給相關科研工作者帶來一絲啟發。

最新成果速覽

Advanced Materials：17.6%效率！基于三維氯化網絡受體的準平面異質結有機太陽能電池

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102778

隨著光伏材料的創新和器件工藝的優化，本體異質結（BHJ）有機太陽能電池的能量轉換效率（PCE）在逐步提升，展現出良好的應用前景。但是BHJ結構的活性層薄膜形態調控是非常精確和復雜的過程。由于在旋涂過程中給體和受體的自組裝和聚集，為了獲得最佳的BHJ薄膜形貌，必須進行各種器件工藝優化。

對于一些高效的光伏材料體系，在某些溶劑中相容性不好時，采用BHJ器件結構會產生較差的光伏性能，不能完全體現材料的優異性。對于這類具有良好光伏性質的特殊材料，就需要采用平面異質結（PHJ）器件結構。含有給/受體材料的PHJ活性層通常采用連續旋涂的工藝，由于溶劑的溶脹和分子的擴散，PHJ薄膜的中間連接處可能會產生微小的納米級體異質結（BHJ）區域。

因此，研究者們將該結構定義為準平面異質結（Q-PHJ）。雖然目前Q-PHJ有機太陽能電池的效率落后于BHJ器件，但其仍然具有一定的優勢。

有鑒于此，南方科技大學何鳳教授團隊^[^1]基于聚合物給體D18和受體BTIC-BO-4Cl，制備了PCE高達17.6%的Q-PHJ有機太陽能電池，是目前報道過的該類型器件結構的最高效率之一。

鑒于激子的擴散距離和解離是制約Q-PHJ 器件效率的關鍵因素。為了研究激子的解離效率，作者測定了BTIC-BO-4Cl純膜、BHJ和Q-PHJ共混膜的光致發光(PL)猝滅光譜和瞬態吸收光譜，結果表明D18和BTIC-BO-4Cl的激子擴散距離分別為33.2和41.2 nm，滿足高性能Q-PHJ器件的激子擴散條件。最后，經過器件工藝的優化，BHJ器件的PCE僅為14.05%，而Q-PHJ器件的PCE高達17.6%，性能提升的主要因素來自于短路電流和填充因子的顯著增強。

該研究表明在某些獨特的光伏材料體系中，Q-PHJ結構可以取代BHJ結構制備性能優異的有機太陽能電池，為光伏材料的設計和器件制備提供新的研究思路。

圖1 D18和BTIC-BO-4Cl的分子結構及電荷運輸示意圖

圖2 BHJ器件和Q-PHJ器件的性能

Advanced Functional Materials：寬帶隙鈣鈦礦界面工程用于高效鈣鈦礦/CZTSSe串聯太陽能電池

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202107359

隨著鈣鈦礦組分和制備工藝的發展，單節鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率已經超過了25%，展現出巨大的商業化潛力。為了進一步突破單節太陽能電池的理論效率極限，基于疊加窄帶隙的吸收層（比如鉛錫混合鈣鈦礦、晶體硅電池以及過渡金屬化合物電池）的寬帶隙鈣鈦礦電池由于可以更加充分地利用太陽光，被研究者們視為一種非常有效的策略。所以，實現領域突破的核心環節之一就是制備高效率和高穩定性的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池（E_g ≈ 1.6-1.9 eV）。

但是，寬帶隙鈣鈦礦電池普遍面臨著開路電壓（V_OC）損失較大的問題，這主要是由于鈣鈦礦內部和表面較高的缺陷態密度以及界面間電荷的復合損失，從而限制了疊層電池效率的進一步提高。

有鑒于此，香港城市大學Alex教授、南開大學張毅教授及南方科技大學徐保民教授團隊^[^2]聯合報道了一種對于寬帶隙鈣鈦礦電池簡單有效的界面修飾策略。該團隊通過沉積二維鈣鈦礦層ODAPbI₄在空穴傳輸層PTAA一側誘導形成了超薄的準二維鈣鈦礦，這一緩沖層的形成不僅能夠促進空穴在界面處的抽取和收集，還能改善上層寬帶隙鈣鈦礦的晶體生長，從而有效地抑制了由于高密度的離子缺陷和界面空穴-電子復合導致的非輻射復合損失。

相應地，優化后的寬帶隙鈣鈦礦電池（E_g ≈ 1.66 eV）最終實現了21.05%的能量轉換效率和1.23 V的開壓電路，其中0.43 V的開路電壓損失也是目前報道的寬帶隙鈣鈦礦器件的最低開壓損失之一。基于這一策略，作者將優化后的寬帶隙鈣鈦礦電池做成半透明器件，與窄帶隙的CZTSSe底電池組成疊層電池，實現了22.27%的光電轉換效率，這一效率均高于單節的鈣鈦礦和CZTSSe電池。外量子效率（EQE）圖譜展示了兩部分電池對于太陽能光譜的利用占比，最終積分得到的短路電流也與J-V測試得到的短路電流相匹配。這項工作為全溶液法、低成本和高效率的疊層電池的制備開拓了新的思路。

圖3 利用ODAPbI₄夾層構建準二維鈣鈦礦界面示意圖及基本的結構表征

圖4 制備的寬帶隙鈣鈦礦電池的性能

Advanced Functional Materials：一種可大規模制備柔性鈣鈦礦電池的新方法

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107726

得益于鈣鈦礦太陽電池獨特的光物理特性、低能耗的制造工藝、柔性設備的兼容性以及針對不同應用場景的使用模式，其商業化潛力日益突出。在近十幾年以來，隨著科研工作者們的大力投入，不斷推動并刷新記錄效率，其單節認證效率已經達到25.5%，滿足商業化使用的標準。

然而，長期穩定性和大面積加工技術仍是鈣鈦礦太陽電池商業化應用的嚴峻挑戰，尤其是將結晶質量與器件結構優化轉移到柔性大面積印刷上來。因此，如果想推動柔性鈣鈦礦太陽能電池走向商業化的道路，就必須解決這兩個方面的科學問題。此外，高質量的鈣鈦礦晶體表面處仍存在著高活性的懸掛鍵，這種納米級缺陷對于鈣鈦礦器件的長期穩定性帶來了諸多弊端。

有鑒于此，南昌大學陳義旺教授團隊和暨南大學李風煜教授團隊^[^3]提出了一種多尺度的缺陷策略來實現大面積柔性鈣鈦礦的加工制備。研究發現，當醋酸甲胺（MAAc）作為墨水輔助劑（IAS）引入到前驅體溶液中，可以有效調控鈣鈦礦膠體粒子的聚集行為。

作者利用通過原位光學顯微鏡觀測，發現存在于參考樣品中較大尺寸的膠體粒子消失，這種被抑制的膠體粒子聚集行為可以有效地提高前驅體溶液的過飽和濃度閾值，繼而實現了多位點的同時成核以及更均勻的結晶質量。隨機點位的紫外吸收測試同樣驗證了這一觀點。

此外，作者通過預先沉積4-氯苯磺酸（Cl-BSA）于電極表面，實現了更穩定的鈣鈦礦界面，密度函數理論模擬計算和缺陷態密度測試表明界面處的缺陷得到了有效的鈍化。最終，基于1.01 cm²的刮涂器件得到了18.12%的光電轉換效率，且在空氣氣氛中穩定性大幅提升。作者相信，這種多尺度缺陷修復策略為大面積柔性鈣鈦礦太陽能電池提供了均質性和穩定性的集成設計理念。

圖5 實驗過程原理示意圖

圖6 制備的柔性鈣鈦礦器件的性能

JACS：有機染料敏化/Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦異質結太陽能電池

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c07200

鈣鈦礦材料中鉛元素限制了其商業化應用，開發新的非鉛鈣鈦礦材料能夠從根本上解決有毒元素對人類生命健康的威脅。作為非鉛鈣鈦礦材料中的重要一員，雙鈣鈦礦Cs₂AgBiBr₆具有良好的光電性能和穩定性，是一種潛在的太陽能電池光敏材料。然而受制于本身較大的帶隙，Cs₂AgBiBr₆只能吸收波長小于550 nm的光子，應用其制備的太陽能電池的光電轉化效率仍然很低。

有鑒于此，吉林大學王曉峰教授團隊^[^4]選取了三種商業化的吲哚染料D102、D131和D149，分別用其去敏化二氧化鈦電子傳輸層，并結合Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦，制備了相應的染料敏化/雙鈣鈦礦異質結太陽能電池，同時制備了染料敏化太陽能電池和雙鈣鈦礦太陽能電池作為參照。

研究發現，異質結太陽能電池的光電流密度高于相應的染料敏化太陽能電池以及雙鈣鈦礦太陽能電池。其中，基于D149/Cs₂AgBiBr₆異質結的電池獲得了高達8.24 mA/cm²的短路電流密度和最高4.23%的光電轉化效率。

為了探究電池內部的電荷傳輸方式，作者制備了無空穴傳輸層和無空穴傳輸層/鈣鈦礦層的器件。測試結果表明，當只去掉空穴傳輸層時，相較于異質結太陽能電池，盡管電池的各項光電參數都有所降低，但是電池大體上仍能夠繼續工作；而當同時去掉空穴傳輸層和雙鈣鈦礦層后，電池基本上不再能繼續工作，說明在這個異質結太陽能電池體系中，Cs₂AgBiBr₆能夠起到傳輸空穴的作用，即吲哚染料中位于激發態的空穴能夠經由Cs₂AgBiBr₆的子帶隙傳出。

此外，作者還分析了染料/雙鈣鈦礦異質結太陽能電池的暗態電流-電壓關系并進行了電化學阻抗等測試，發現D102和D149的引入使得電池內部的電荷傳輸更加高效，內部的載流子復合情況也受到了抑制。這項工作對將染料敏化太陽能電池與雙鈣鈦礦太陽能電池相結合并構筑具有高效吸收的吲哚染料/雙鈣鈦礦異質結太陽能電池提供了指導。

圖7 D102、D131和D149的分子結構

圖8 基于D149/Cs₂AgBiBr₆異質結的電池穩定性

參考文獻

[1] Hui Chen, Tingxing Zhao, Long Li, et al. 17.6%-Efficient Quasiplanar Heterojunction Organic Solar Cells from a Chlorinated 3D Network Acceptor. Adv. Mater. 2021, 33, 2102778. DOI: 10.1002/adma.202102778.

[2] Deng Wang, Hongling Guo, Xin Wu, et al. Interfacial Engineering of Wide-Bandgap Perovskites for Efficient Perovskite/CZTSSe Tandem Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2021, 2107359. DOI: 10.1002/adfm.202107359.

[3] Zhi Xing, Suyu Lin, Xiangchuan Meng, et al. A Highly Tolerant Printing for Scalable and Flexible Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2021, 2107726. DOI: 10.1002/adfm.202107726.

[4] Baoning Wang, Na Li, Lin Yang, et al. Organic Dye/Cs₂AgBiBr₆ Double Perovskite Heterojunction Solar Cells. Journal of the American Chemical Society 2021 143 (36), 14877-14883. DOI: 10.1021/jacs.1c07200.

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