近期鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域科研進(jìn)展有哪些？

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈣鈦礦電池在2009年首次誕生，但因其在理論轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電能力、低生產(chǎn)成本、多應(yīng)用場(chǎng)景等方面的優(yōu)秀潛力，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界受到了大量的關(guān)注和重視。近期，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得了多項(xiàng)突破，我們一起看看有哪些科研成果吧~
 

　　武漢光電國(guó)家研究中心陳煒劉宗豪團(tuán)隊(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究獲進(jìn)展
 

　　10月10日，《自然·能源》(Nature Energy)在線發(fā)表了武漢光電國(guó)家研究中心陳煒-劉宗豪團(tuán)隊(duì)題為“Aromatic interaction-driven out-of-plane orientation for inverted perovskite solar cells with improved efficiency”的研究論文。
 

　　反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其良好的穩(wěn)定性和與疊層電池技術(shù)的兼容性，被視為最具商業(yè)化前景的技術(shù)路線之一。其中，甲脒-銫基鈣鈦礦(FA1−xCsxPbI3)因其理想的光學(xué)帶隙，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)更高光電轉(zhuǎn)換效率的理想材料。在溶液法制備過(guò)程中，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控晶體生長(zhǎng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)有序成核/生長(zhǎng)與取向控制，從而獲得高質(zhì)量、高取向性的鈣鈦礦薄膜，是進(jìn)一步提升器件性能的關(guān)鍵途徑。具有面外取向的鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)為(100)晶面平行于基底的堆疊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)兼具優(yōu)異的電荷傳輸特性和較低的缺陷密度，有助于實(shí)現(xiàn)更高效的器件性能。然而，現(xiàn)有研究多采用僅具單一作用機(jī)制的添加劑，對(duì)基于雙添加劑間分子相互作用、協(xié)同調(diào)控晶體學(xué)取向的策略探索仍顯不足。此外，關(guān)于高取向性鈣鈦礦薄膜(尤其是FA1−xCsxPbI3)的形成機(jī)制，目前理解尚不深入，亟待系統(tǒng)闡釋。因此，發(fā)展一種能夠同步調(diào)控成核過(guò)程、晶體取向與缺陷抑制的整體性策略，對(duì)充分釋放反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能潛力具有重要意義。
 

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)，陳煒-劉宗豪團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于芳香相互作用協(xié)同調(diào)控的雙分子添加劑晶體調(diào)控策略。研究團(tuán)隊(duì)選取了兩種含有萘環(huán)的分子：6-羥基-2-萘磺酸鉀(PHNS)和6-溴-2-萘胺鹽酸鹽(BNAC)，協(xié)同作用于鈣鈦礦結(jié)晶過(guò)程。其中，PHNS中的羥基和磺酸基團(tuán)可與Pb2+離子配位，而B(niǎo)NAC中的銨陽(yáng)離子則可占據(jù)FA+位點(diǎn)。尤為關(guān)鍵的是，兩個(gè)分子中的萘基在 [PbI6]4−八面體旁形成緊密的芳香堆積結(jié)構(gòu)，從而誘導(dǎo)晶體沿(100)晶面擇優(yōu)面外取向生長(zhǎng)。這種高度有序的生長(zhǎng)模式減少了晶界數(shù)量，提升了薄膜的整體晶體質(zhì)量。核奧弗豪澤效應(yīng)光譜和橫截面TEM及相應(yīng)的電子能量損失光譜分析表明了芳香堆積結(jié)構(gòu)是誘導(dǎo)特定取向生長(zhǎng)的關(guān)鍵。此外，芳香相互作用還增強(qiáng)了對(duì)鈣鈦礦薄膜中不同類型缺陷的協(xié)同鈍化效果，顯著降低薄膜缺陷密度。
 

　　清華大學(xué)材料學(xué)院林紅團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展
 

　　金屬鹵化物鈣鈦礦因其出色的光電性能、溶液法加工特性和優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，已成為柔性可穿戴光伏領(lǐng)域中最具發(fā)展前景的材料體系之一。然而，常用的柔性聚合物透明導(dǎo)電基板存在表面粗糙度大、溶液浸潤(rùn)性差、熱傳導(dǎo)速率慢等問(wèn)題，導(dǎo)致高沸點(diǎn)溶劑二甲基亞砜(DMSO)易殘留于鈣鈦礦層與下方傳輸層之間的埋底界面處，進(jìn)而引發(fā)界面孔洞、結(jié)晶無(wú)序以及殘余應(yīng)力積累等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了柔性器件的光電轉(zhuǎn)換效率與機(jī)械彎折穩(wěn)定性。因此，解析DMSO殘留的微觀機(jī)理，并發(fā)展一種能夠簡(jiǎn)潔、高效清除界面殘留物的策略，已成為當(dāng)前該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
 

　　近日，清華大學(xué)材料學(xué)院林紅教授團(tuán)隊(duì)合作在柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池埋底界面二甲基亞砜(DMSO)殘留去除方面取得重要研究進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種雙官能團(tuán)分子工程策略，將具有羧酸基團(tuán)和碘代基的3-碘丙酸(IDPAC)分子引入SnO2/鈣鈦礦埋底界面。IDPAC作為化學(xué)分子橋能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SnO2氧空位和鈣鈦礦未充分配位鉛的雙面鈍化，通過(guò)飽和界面缺陷削弱了其對(duì)DMSO的吸附作用，實(shí)現(xiàn)界面殘留DMSO的高效原位清除，顯著提升了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，釋放了殘余拉應(yīng)力，并增強(qiáng)了界面結(jié)合力。
 

　　中國(guó)科學(xué)院寧波材料所在提高鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池效率方面取得新進(jìn)展
 

　　兩端口鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)電池的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)已飆升至35.0%，已突破單結(jié)太陽(yáng)電池理論極限。盡管如此，相對(duì)于其45.1%的理論極限效率，仍有相當(dāng)大的改進(jìn)空間，尤其是在寬帶隙鈣鈦礦頂電池方面。在疊層電池中，寬帶隙鈣鈦礦頂電池的開(kāi)路電壓和填充因子仍顯著低于窄帶隙鈣鈦礦電池，其根本原因在于鈣鈦礦與載流子傳輸層界面存在嚴(yán)重的載流子復(fù)合及能級(jí)失配問(wèn)題，尤其是在鈣鈦礦/C60界面。
 

　　近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所光電信息材料與器件實(shí)驗(yàn)室高效太陽(yáng)能電池及寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)在葉繼春研究員的帶領(lǐng)下，在前期晶體硅和鈣鈦礦太陽(yáng)電池研究的基礎(chǔ)上(Nat. Energy 2025, 10, 737; Nat. Energy, 2023, 8; Joule 2022, 6, 2644; Nat. Commun. 2024, 15, 8453; Nat. Commun. 2023, 14, 2166; Adv. Mater. 2023, 35, e2211962; Adv. Energy Mater. 2024, 2403021; Adv. Funct. Mater. 2024, 34; Sci. Bull. 2024, 69, 1887; ACS Energy Lett. 2024, 9, 4018; Nano Energy 2022, 100, 107529; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 52223; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006; J. Mater. Chem. A, 2023,11, 6556; Adv. Funct. Mater. 2023, 2304708; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006.)，在高效鈣鈦礦/硅疊層電池領(lǐng)域取得了新的進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種兼具路易斯酸堿官能團(tuán)的高極性籠狀二胺氯化物來(lái)減少鈣鈦礦薄膜缺陷和調(diào)控界面偶極，從而抑制非輻射復(fù)合和優(yōu)化表面能級(jí)排列。同時(shí)，這種獨(dú)特的籠狀陽(yáng)離子能誘導(dǎo)形成具有自發(fā)面內(nèi)取向的純相、準(zhǔn)二維鈣鈦礦，并展現(xiàn)出顯著的鐵電效應(yīng)，可進(jìn)一步降低鈣鈦礦表面功函數(shù)以促進(jìn)載流子分離與提取?；诖耍?.1cm2和1.21cm2的1.68eV鈣鈦礦單結(jié)太陽(yáng)能電池分別獲得了22.6%和21.0%的PCE。此外，基于隧穿氧化物鈍化接觸的1.0cm2兩端口鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)了31.1%的PCE，并表現(xiàn)出良好的工作穩(wěn)定性(ISOS-L-1，T85>1020h)。鐵電界面物理特性為高效穩(wěn)定的鈣鈦礦基疊層光伏技術(shù)開(kāi)辟了全新可能性。
 

　　半導(dǎo)體所研制出光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)27%的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
 

　　鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其易于低成本印刷制備且具有高光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)，被視為新一代太陽(yáng)能電池的典型代表，發(fā)展前景廣闊。經(jīng)過(guò)十六年的快速發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的3.8%提升至超過(guò)26%，逼近單晶硅太陽(yáng)能電池水平，但與理論極限效率仍存在一定差距。實(shí)現(xiàn)高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵要素之一是制備高質(zhì)量鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜。甲基氯化銨(MACl)因能同時(shí)降低鈣鈦礦成核勢(shì)壘并促進(jìn)晶體高質(zhì)量生長(zhǎng)，被廣泛作為鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng)的輔助材料。
 

　　近期，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基于MACl制備的鈣鈦礦薄膜存在垂直方向上氯分布的不均勻的問(wèn)題，主要原因是MACl中的氯離子在鈣鈦礦結(jié)晶過(guò)程中迅速遷移至上表面引起富集。這種不均勻的氯分布會(huì)誘發(fā)鈣鈦礦上表面產(chǎn)生缺陷和界面電子勢(shì)壘，引起載流子復(fù)合損失，阻礙載流子輸運(yùn)，制約了器件光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升，同時(shí)影響其長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。
 

　　山東大學(xué)王亮、劉倩、于偉泳團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中取得新進(jìn)展
 

　　近日，山東大學(xué)集成電路學(xué)院教授王亮、物理學(xué)院實(shí)驗(yàn)師劉倩和化學(xué)與化工學(xué)院教授于偉泳在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)原位聚合形成柔性聚合物(P-AMPS)的新策略，用于構(gòu)筑晶粒間的柔性隔離網(wǎng)絡(luò)，從結(jié)構(gòu)層面有效解耦光致晶格演化與機(jī)械應(yīng)變積累，顯著提升了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光機(jī)械穩(wěn)定性與運(yùn)行壽命。相關(guān)成果以題為“Decoupling photoinduced lattice evolution via grain spatial isolation for efficient and stable perovskite solar cells”的論文發(fā)表在國(guó)際期刊Advanced Material(影響因子：26.8)。王亮、劉倩和于偉泳為論文的共同通訊作者，化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生何正言為第一作者。
 

　　在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，晶界處的應(yīng)力積累與缺陷演化是導(dǎo)致性能衰退的關(guān)鍵因素。針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地在鈣鈦礦薄膜退火過(guò)程中引入AMPS單體，通過(guò)熱誘導(dǎo)原位聚合生成柔性交聯(lián)聚合物P-AMPS，使其自發(fā)分布于晶粒邊界處，形成“空間分離—柔性緩沖”功能網(wǎng)絡(luò)。該結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了晶粒的物理隔離與應(yīng)力傳遞削弱，還通過(guò)磺酸基與羰基等功能基團(tuán)實(shí)現(xiàn)了缺陷鈍化與載流子輸運(yùn)優(yōu)化。
 

　　復(fù)旦團(tuán)隊(duì)研發(fā)錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，攻克無(wú)鉛、可持續(xù)綠色光伏技術(shù)關(guān)鍵難題
 

　　長(zhǎng)期以來(lái)，高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池高度依賴鉛元素，帶來(lái)了巨大的環(huán)境和健康隱患，難道高性能光伏材料必須含鉛？其實(shí)未必！
 

　　不依賴有毒的鉛元素，只借助綠色無(wú)害的錫元素，復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來(lái)能源創(chuàng)新學(xué)院梁佳青年研究員團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池不僅實(shí)現(xiàn)了全生命周期無(wú)害，甚至突破了光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。
 

　　這一創(chuàng)新成果攻克了無(wú)鉛、可持續(xù)綠色光伏技術(shù)的關(guān)鍵難題，標(biāo)志我國(guó)在清潔能源材料領(lǐng)域再獲突破，未來(lái)有望融入人類日常生活。
 

　　相關(guān)成果以《基于均一埋底界面的錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池》(Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface)為題，于北京時(shí)間10月15日晚間在《自然》(Nature)期刊以加速預(yù)覽的形式在線發(fā)表。
 

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