導讀目錄
1. 突破單結太陽能電池解析_疊層太陽能電池TSC的發(fā)展性
2. AQS-based添加劑延伸步驟及表征設備
3. AQS實現(xiàn)WBG單結全無機PSC長期穩(wěn)定性提升用于鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池P/O TSC
突破單結太陽能電池高PCE:18.59%、VOC近1.3V
疊層太陽能電池TSC >10001000小時的T90壽命
隨著能源需求的增長和對可再生能源的關注，太陽能電池技術的發(fā)展成為了研究的重點。傳統(tǒng)的單結太陽能電池受制于肖克利-奎瑟極限，為了突破這一限制，香港城市大學Alex Jen團隊研究人員開始探索疊層太陽能電池（TSC）的設計，將兩個或多個具有不同帶隙的亞細胞堆棧在一起，以捕獲更廣泛的光譜范圍，從而提高整體的轉換效率。
在眾多的TSC設計中，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池（P/O TSC）由于其高效率和潛在的低成本，受到了廣泛的關注。這些器件結合了無機鈣鈦礦材料的高吸收系數(shù)和有機材料的可調(diào)帶隙，使得P/O TSCs能夠在有限的空間內(nèi)捕獲更多的太陽光，從而提高功率轉換效率（PCE）。
然而，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池P/O TSCs面臨的主要挑戰(zhàn)之一是長期穩(wěn)定性，尤其是在實際運行條件下。光誘導的溴化物分離和熱應力是導致這些器件性能衰退的主要原因。為了改善這一問題，本研究開發(fā)了兩種多功能添加劑，基于9,10-蒽醌-2-磺酸（AQS），以調(diào)節(jié)全無機鈣鈦礦的結晶過程，并通過氧化還原穿梭效應抑制溴化物分離，從而提高相位穩(wěn)定性。這些添加劑還能與具有特定功能基團和偶極矩的有機陽離子結合，有效降低缺陷密度并調(diào)整界面能階排列。
本研究由香港城市大學Alex Jen團隊發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition 八月號 (DIO: 10.1002/anie.202412515)，其研究目的是通過這些多功能添加劑的應用，實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性的倒置無機鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池，以推動該技術向實際應用邁進。研究結果表明，使用這些添加劑的單結無機鈣鈦礦太陽能電池達到了18.59%的高PCE，開路電壓接近1.3 V，并且由此制成的疊層太陽能電池在連續(xù)運作下展現(xiàn)了超過1000小時的T90壽命，顯示了這些添加劑在提高器件穩(wěn)定性和效率方面的潛力。
圖5. (a) 基于無機鈣鈦礦的P/O TSC的體系結構。 (b) P/O TSC、單結太陽能電池和單結有機太陽能電池的J-V特性。 (c) P/O TSC的EQE曲線。星點代表本研究實現(xiàn)的PCE。 (d) P/O TSC的PCE評估。
AQS-based添加劑延伸步驟及表征設備
透過分析該研究，整理出以下研究人員所采用的研究步驟及其欲達成的研究目的:
1. 研究多功能添加劑的設計與合成
l 材料準備：購買商業(yè)化原料，如CsI、PbI2、PbBr2、PbCl2等，并使用AQS-based添加劑進行合成。
研究目的：確保材料的純度和質(zhì)量，以供后續(xù)制備太陽能電池之用。
l 溶液準備：將NiOx、CbzNaph、i-PVK、CF3-PEAI、PM6、BTP-eC9、PCBM等材料分別制成溶液，并加入特定的溶劑和添加劑，如DIO。
研究目的：制備均勻且適合涂布的溶液，以獲得良好的薄膜質(zhì)量。
l 添加劑的表征與性能評估：
目的：使用熱重分析（TGA）、差示掃描量熱法（DSC）和其他分析技術來表征添加劑的熱穩(wěn)定性和化學性質(zhì)，并評估其對鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的影響。
2. 單結無機鈣鈦礦太陽能電池（i-PSCs）制備與性能測試：
l 按照特定的結構和步驟，包括ITO/NiOx/CbzNaph/i-PVK/C60/BCP/Ag，來制備i-PSCs。
l 測試其光電轉換效率（PCE）、開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）等關鍵參數(shù)
研究目的：制備高效能的i-PSCs，并研究AQS-based添加劑對其性能的影響。
3. 單結有機太陽能電池（OSCs）制備：按照特定的結構和步驟，包括ITO/MoOx/PM6:BTP-eC9/PNDIT-F3N/Ag，來制備OSCs。
研究目的：制備高效能的OSCs，并研究其作為疊層太陽能電池的一部分時的性能。
4. 疊層太陽能電池制備與性能測試：
l 將優(yōu)化的無機鈣鈦礦子電池與有機后子電池集成并制備，形成一個完整的疊層太陽能電池結構。
l 測試其整體性能，包括PCE、穩(wěn)定性和在最大功率點追蹤（MPPT）條件下的壽命。
研究目的：制備高效率的疊層太陽能電池，并研究其整體性能和穩(wěn)定性。
5. 測量和表征：使用1H NMR、13C NMR、XRD、DLS、SEM、XPS、UPS、PL、TRPL、J-V特性和EQE等技術對材料和器件進行表征。
研究目的：深入了解材料和器件的結構、形態(tài)、光電特性及性能。
6. 密度泛函理論（DFT）計算：進行DFT計算以理解添加劑與鈣鈦礦材料之間的相互作用。
研究目的：從理論角度解釋添加劑對太陽能電池性能的影響。
7. 在位表征：通過在位光吸收、熒光和光散射等實驗，分析聚合物和小分子的成核和結晶過程。
研究目的：實時監(jiān)測和分析薄膜的形態(tài)特性和成長過程。
8. 電化學阻抗譜（EIS）和熱容譜（TAS）分析：通過EIS和TAS來研究器件的電化學特性和溫度依賴性。
研究目的：評估器件的電荷傳輸和收集效率，以及熱穩(wěn)定性。
9. 穩(wěn)定性測試：使用動態(tài)MPPT系統(tǒng)在N2氣氛中進行穩(wěn)定性測試，以評估器件的長期穩(wěn)定性。
研究目的：驗證太陽能電池在實際操作條件下的耐久性和可靠性。
上述的各項研究步驟使用多項量測及表征設備，如: X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、熱重分析儀（TGA）、差示掃描量熱儀（DSC）、紫外-可見吸收分光亮度計（UV-Vis）、光致發(fā)光譜儀（PL）等。另外，如下方表列:
電化學阻抗譜（EIS）：用于研究器件內(nèi)部的電子傳輸和界面特性。
時間分辨光致發(fā)光（TRPL）：用于測量載流子的壽命和非輻射復合過程。
外量子效率（EQE）測量系統(tǒng)：用于評估太陽能電池對不同波長光的光電轉換效率。
該量測采用光焱科技 QE-R外量子效率量測方案，為單結及多結太陽能電池提供有效精準且高重現(xiàn)性的表征參數(shù)，還能通過軟件的配合，實現(xiàn)高效的ΔΕ1量測模式。光焱科技的分析軟件可將上述設備的數(shù)據(jù)直接執(zhí)行導入與導出，有效簡化了原本繁瑣且需要大量計算驗證的研究流程，從而成功獲取器件各階段所需的關鍵參數(shù)，并降低了程序負荷和人為計算錯誤的風險。
光焱科技QE-R現(xiàn)場裝機示意圖
在這項研究中，EQE測量系統(tǒng)幫助研究人員評估了多功能添加劑對無機鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池光電轉換效率的影響。通過EQE測量，研究團隊能夠確定添加劑是否改善了太陽能電池在特定波長范圍內(nèi)的光吸收和電荷轉換過程。這對于實現(xiàn)高效率的太陽能電池至關重要。
具體來說，研究結果顯示，通過使用這些添加劑，單結無機鈣鈦礦太陽能電池達到了18.59%的高PCE，并且開路電壓接近1.3 V。此外，由此制成的疊層太陽能電池在連續(xù)運作下展現(xiàn)了超過1000小時的T90壽命。這些結果表明，添加劑的使用不僅提高了太陽能電池的效率，而且顯著提高了其穩(wěn)定性和壽命，這是太陽能電池商業(yè)化應用中非常重要的特性。
圖S11。 （a）無添加劑的i-PSCs的EQE曲線和（b）相應的導數(shù)曲線，帶有AQS：FPMA和帶有AQS：FPEA。
傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）：用于分析材料的化學鍵和官能團。
核磁共振（NMR）：用于確認有機分子的化學結構。
X射線光電子能譜（XPS）：用于分析材料表面的化學組成和鍵結狀態(tài)。
AQS實現(xiàn)WBG單結全無機PSC長期穩(wěn)定性提升用于鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池P/O TSC
研究團隊設計并合成了兩種新型多功能添加劑AQS和AQS。AQS單元在形成新的中間相中起著至關重要的作用，通過調(diào)節(jié)結晶過程降低了高質(zhì)量全無機鈣鈦礦的缺陷密度。
此外，在AQS中的高效氧化還原穿梭還增強了這些WBG鈣鈦礦的相穩(wěn)定性，從而有助于改善衍生器件的穩(wěn)定性。將AQS與有機偶極分子FPMA和FPEA集成，進一步實現(xiàn)了對Pb2+的有效鈍化和表面能級的調(diào)節(jié)。結果，在單結全無機PSC中實現(xiàn)了超過18%的高效率和記錄性能的Voc約為1.3V，在MPPT條件下具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。更重要的是，WBG無機鈣鈦礦可以用作構建反向P/O TSC中的前級電池，實現(xiàn)了在MPPT條件下1000小時的T90壽命，超過了大多數(shù)已報告的P/O TSC的壽命。
推薦設備
QE-R
文獻參考自Angewandte Chemie International Edition_DOI：10.1002/anie.202412515
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