鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池的發(fā)展不僅推動(dòng)了光伏技術(shù)的進(jìn)步， 也為可再生能源的普及和應(yīng)用帶來了新的希望。 未來， 隨著技術(shù)的進(jìn)一步突破和商業(yè)化進(jìn)程的加快， 鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池有望在全球能源市場(chǎng)中占據(jù)重要地位。
近年來， 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSC) 因其高效、 低成本和易于制備等優(yōu)勢(shì)， 成為最有希望替代傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池的下一代光伏技術(shù)之一。 其中， 寬帶隙鈣鈦礦 (WBG-PSC) 因其與有機(jī)太陽(yáng)能電池匹配性高， 可以實(shí)現(xiàn)疊層結(jié)構(gòu)， 大幅度提升光電轉(zhuǎn)換效率。 然而， WBG-PSC 的穩(wěn)定性一直是阻礙其發(fā)展的重要問題。
鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程經(jīng)歷了幾個(gè)關(guān)鍵階段，以下是其主要的發(fā)展歷程：
初期研究階段（2009-2013年）:
2009年，鈣鈦礦材料被引入太陽(yáng)能電池中。這一時(shí)期的研究主要集中在探索鈣鈦礦材料的光電特性以及其在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用潛力。
2012年，研究人員成功制備了穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，效率約為9.7%。
效率提升階段（2014-2016年）:
這一時(shí)期，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率迅速提升。研究人員通過優(yōu)化材料合成工藝、改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法，使得電池效率突破20%。
有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究也在同步進(jìn)行，重點(diǎn)在于提高其穩(wěn)定性和效率。
疊層結(jié)構(gòu)發(fā)展階段（2016-2019年）:
鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池開始受到廣泛關(guān)注。疊層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)旨在結(jié)合鈣鈦礦和有機(jī)材料的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率。
研究人員通過創(chuàng)新性的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和接口工程技術(shù)，進(jìn)一步提升了電池的效率和穩(wěn)定性。
商業(yè)化探索階段（2019年至今）:
隨著技術(shù)的不斷成熟，鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池逐漸進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用探索階段。
研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向大面積電池的制備、生產(chǎn)工藝的優(yōu)化以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的提升。
一些公司和研究機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行試生產(chǎn)和應(yīng)用測(cè)試，以推動(dòng)這一新型太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)化進(jìn)程。
由于碘離子在光照作用下的耗損， 會(huì)導(dǎo)致鹵化物相分離， 影響鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和電池的效率。 因此， 如何穩(wěn)定寬帶隙鈣鈦礦， 防止碘離子耗損， 是目前研究的重點(diǎn)之一。
近期， 新加坡國(guó)立大學(xué)侯毅教授和美國(guó)華盛頓大學(xué) David S. Ginger 教授的團(tuán)隊(duì)在Joule 雜志發(fā)表了重要的研究成果。 他們利用一種新型的鈍化分子 2-氨基-4,5-咪唑二腈 (AIDCN) ， 成功地抑制了寬帶隙鈣鈦礦中碘離子的耗損， 解決了材料相分離問題， 并提升了器件的穩(wěn)定性。
【提升器件性能:鎖住碘離子， 穩(wěn)定寬帶隙鈣鈦礦】
該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)， 2-氨基-4,5-咪唑二腈 (AIDCN) 擁有高度極化的電荷分布和緊湊的分子構(gòu)型， 可以與碘離子（I?） 發(fā)生相互作用， 從而抑制光照誘導(dǎo)的碘離子耗損和相分離現(xiàn)象。
l 防止相分離: 利用高光譜光致發(fā)光顯微鏡分析， 研究人員發(fā)現(xiàn) AIDCN 能有效減緩光照下鈣鈦礦材料的相分離， 進(jìn)而提升了鈣鈦礦材料的光電穩(wěn)定性。
l 抑制碘離子耗損: 原位掠入射廣角X射線散射 (GIWAXS) 和 X射線熒光測(cè)量結(jié)果表明， AIDCN 的引入， 可以顯著減緩鈣鈦礦晶格的收縮， 同時(shí)有效維持材料整體的化學(xué)組成。 這證實(shí)了 AIDCN 的應(yīng)用有效地抑制了碘離子的耗損。
【實(shí)現(xiàn)疊層效率新突破： 開創(chuàng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池應(yīng)用的新篇章】
應(yīng)用 AIDCN 的鈍化策略， 研究團(tuán)隊(duì)成功地制備出 1.86 eV 寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池， 并獲得了高達(dá) 18.52% 的光電轉(zhuǎn)換效率。 更重要的是， 他們將這種高性能的寬帶隙鈣鈦礦子電池與 PM6:BTP-eC9 有機(jī)子電池相結(jié)合， 構(gòu)建了高效的鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池， 最終實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的 25.13% 的光電轉(zhuǎn)換效率， 經(jīng)過認(rèn)證后的穩(wěn)定效率為 23.40% 。
該團(tuán)隊(duì)研究成果充分展現(xiàn)了通過分子工程策略， 針對(duì)性地解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料穩(wěn)定性問題的重要性。 這一研究將有力地推動(dòng)更高效、 更穩(wěn)定、 更廉價(jià)的鈣鈦礦-有機(jī)迭層太陽(yáng)能電池技術(shù)的應(yīng)用， 為未來發(fā)展更高效的光伏技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
該研究通過引入 AIDCN 鈍化策略， 成功解決了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中普遍存在的碘離子耗損和相分離問題， 為構(gòu)建更高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了有效的解決方案。
重要技術(shù)參數(shù)：
鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池效率: 25.13% (認(rèn)證效率：23.40%)
關(guān)鍵技術(shù)： AIDCN 鈍化策略
新加坡國(guó)立大學(xué)_侯毅教授
現(xiàn)任新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系教授和新加坡國(guó)立大學(xué)太陽(yáng)能研究機(jī)構(gòu)（SERIS）主任， 是能源材料和太陽(yáng)能電池的專家。 他在光伏技術(shù)和能源材料方面做出了突出貢獻(xiàn)， 并在國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表了200多篇高水平學(xué)術(shù)論文， 多次獲得國(guó)家和國(guó)際重要獎(jiǎng)項(xiàng)和榮譽(yù)。 他的研究團(tuán)隊(duì)也一直致力于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展。
課題組主要研究方向
i. 材料創(chuàng)新：
· 開發(fā)新型寬帶隙鈣鈦礦吸收體、先進(jìn)界面材料和柔性電極。
· 探索自組裝單層、二維材料和金屬氧化物，提高光電轉(zhuǎn)換效率和器件穩(wěn)定性。
ii. 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和組裝技術(shù)：
· 研究新方法操控、加工和組裝材料，揭示新的光學(xué)和電學(xué)特性。
· 建立經(jīng)濟(jì)高效、高重復(fù)性和快速的加工方法，滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求。
iii. 先進(jìn)的疊層太陽(yáng)能電池：
· 綜合研究開發(fā)可靠、高效、經(jīng)濟(jì)的鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池。
· 優(yōu)化串聯(lián)結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)、電接觸、透明導(dǎo)電氧化物、鈍化劑和封裝方法，提升太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)
Stabilizing efficient wide-bandgap perovskite in perovskite-organic tandem solar cells _ Joule, July 08, 2024 _ DOI:10.1016/j.joule.2024.06.009
【本研究參數(shù)圖】
設(shè)計(jì)的極化結(jié)構(gòu)：左上角展示了一個(gè)分子的極化結(jié)構(gòu)圖，表明通過設(shè)計(jì)分子的極化結(jié)構(gòu)來優(yōu)化材料性能。
抑制碘耗損：中間部分展示了兩種不同情況下的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)圖。左側(cè)是對(duì)照組，顯示碘（I?）耗損的情況；右側(cè)是使用AIDCN處理后的結(jié)構(gòu)，顯示碘耗損被抑制。
高性能的疊層太陽(yáng)能電池：右上角的圖表展示了該研究工作的太陽(yáng)能電池性能數(shù)據(jù)，與其他已報(bào)導(dǎo)的鈣鈦礦/有機(jī)光伏疊層 太陽(yáng)能電池的性能進(jìn)行對(duì)比，顯示出該研究工作的電池具有更高的效率（25% PCE）。
總結(jié)：通過設(shè)計(jì)極化結(jié)構(gòu)和使用AIDCN處理，研究人員成功抑制了碘的逃逸，從而提高了鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的性能。
推薦設(shè)備
SS-PST100R AM1.5G 可變標(biāo)準(zhǔn)光譜模擬光源
高效率新型疊層太陽(yáng)能電池精準(zhǔn)效率測(cè)量的伙伴
· 采用光焱最新的單氙燈光源光譜控制技術(shù)，可在單一氙燈光源下將光譜修飾，達(dá)到氙燈加鹵燈雙光源光譜等級(jí)。
· 輸出光譜由 300-1700nm 均可符合 1.5G 光譜要求其平均光譜失配 ≤ 6% (IEC 60904-9：2020) 。
· 僅采用單氙燈，因此無雙光源兩燈泡壽命不匹配，以及一般鹵燈僅 50 小時(shí)壽命之問題。
· 具有A++光譜等級(jí)，其氙燈壽命可超過1,000小時(shí)，克服了雙光源鹵素?zé)魺襞輭勖坏?/span>50小時(shí)之缺點(diǎn)。
· 大幅縮減光源調(diào)校時(shí)間，并增加系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性。
· 單燈源的設(shè)計(jì)，相較多燈珠 LED 型的模擬器有更好的 SPC 光譜覆蓋率與更低的 SPD 光譜偏差率，可提供更為準(zhǔn)確的疊層太陽(yáng)能電池測(cè)試結(jié)果。
文獻(xiàn)參考自 Joule, July 08, 2024 _ DOI:10.1016/j.joule.2024.06.009
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