鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)憑借其高效率、低成本和可印刷性等優(yōu)勢，成為最有希望取代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的下一代光伏技術(shù)。然而，PSCs在實際戶外應用中面臨著紫外線(UV)輻射帶來的嚴峻挑戰(zhàn)。

為了解決這一問題，美國北卡羅來納大學教堂山分校的 Jinsong Huang 教授團隊在Science期刊發(fā)表了最新研究成果，他們通過開發(fā)一種新型的強鍵合空穴傳輸層(HTL)材料，有效地抑制了 鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的紫外線降解，并顯著提高了器件的長期穩(wěn)定性。

紫外線輻射的影響效率
鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的效率近年來不斷攀升，突破了25%的瓶頸，但其長期穩(wěn)定性問題仍然是阻礙其商業(yè)化應用的關(guān)鍵因素。在實際應用中，PSCs暴露在陽光照射下，會受到紫外線輻射的影響，導致器件性能下降。紫外線輻射會導致PSCs的多種降解問題，例如：

l 鈣鈦礦材料的分解： 紫外線輻射可以導致鈣鈦礦材料分解，形成缺陷，降低器件效率。

l 空穴傳輸層(HTL)的降解： 紫外線輻射可以加速HTL的降解，降低器件的空穴提取效率，影響器件性能。

l 界面處的化學反應： 紫外線輻射會導致鈣鈦礦和HTL之間發(fā)生化學反應，改變器件的界面性質(zhì)，降低器件的穩(wěn)定性。

為了解決這些問題，研究人員一直在探索各種策略，例如開發(fā)新型的HTL材料和界面工程技術(shù)?？昭▊鬏攲?/span>(HTL)的研究手法自光伏技術(shù)興起以來經(jīng)歷了多個階段。以下是HTL研究的主要歷史發(fā)展：

早期研究(2000年代初期):

l 有機材料:早期HTL研究主要集中在有機材料上，如PEDOT，因其良好的導電性和與有機光伏材料的相容性。然而，這些材料在穩(wěn)定性和制造成本上存在挑戰(zhàn)。

l 金屬氧化物:同時，也有一些研究開始探索無機金屬氧化物，如NiO和CuI，這些材料具有更高的穩(wěn)定性和更好的能級匹配特性。

中期研究(2010年代):

l 混合材料:為了兼顧有機和無機材料的優(yōu)勢，研究者開始探索有機-無機混合材料的HTL，例如氧化石墨烯摻雜的PEDOT。

l 新型有機材料:同時，新的有機材料如 PTAA (聚三苯胺)被引入，展示出更好的性能和穩(wěn)定性。

近年研究(2020年至今):

l 工程化表面處理:近年來，研究者更多地關(guān)注于通過工程化手段改進HTL的界面特性，例如表面修飾和分子工程。

l 新型無機材料:研究者持續(xù)探索新型無機材料，如摻雜金屬氧化物和二維材料，以提高HTL的性能和穩(wěn)定性。

l 多功能層設(shè)計:最新的研究開始考慮HTL的多功能設(shè)計，不僅是空穴傳輸，還包括阻隔水氧、增強界面粘附等功能。

解決紫外線降解成果簡介：

該研究團隊開發(fā)了一種新型的強鍵合HTL材料，即[2-(9-乙基-9H-咔唑-3-yl)乙基]膦酸(EtCz3EPA)。EtCz3EPA具有以下特點：

l 強鍵合能力：EtCz3EPA的膦酸基團可以與透明導電氧化物(TCO)表面形成強烈的化學鍵，而其氮原子可以與鈣鈦礦中的鉛原子形成配位鍵，從而在鈣鈦礦/HTL/TCO界面形成牢固的化學連接，有效抑制界面缺陷的形成。

l 良好的空穴提取性能：EtCz3EPA具有良好的空穴提取性能，可以有效地將空穴從鈣鈦礦層中提取出來，并傳輸?shù)秸龢O，提高器件的效率。

研究人員將EtCz3EPA與傳統(tǒng)的HTL材料(例如PTAA)結(jié)合，制備了新型的混合HTL材料，并對其在PSCs中的性能進行了測試。

研究結(jié)果

l 提高器件效率：與傳統(tǒng)的HTL材料(例如PTAA)相比，使用EtCz3EPA或EtCz3EPA/PTAA混合HTL的器件展現(xiàn)出更高的效率，且在紫外線照射下依然保持著較高的性能。

l 增強器件穩(wěn)定性：EtCz3EPA或EtCz3EPA/PTAA混合HTL可以有效地抑制紫外線引起的鈣鈦礦分解和HTL降解，提高器件的穩(wěn)定性。經(jīng)過29周的戶外測試，基于EtCz3EPA/PTAA混合HTL的PSCs模塊仍然能保持超過16%的效率，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

研究人員利用各種表征手段，例如SEM、XPS、AFM、TRPL、GIXRD、TAS和DLCP等，對器件的結(jié)構(gòu)、形貌、光電特性、穩(wěn)定性和缺陷進行了分析。實驗結(jié)果表明，EtCz3EPA能夠有效地鈍化界面缺陷，降低非輻射復合，并抑制鈣鈦礦中A位陽離子的遷移。此外，EtCz3EPA還能夠增強鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，提高器件的效率和穩(wěn)定性。

結(jié)論與展望

該研究團隊通過開發(fā)強鍵合空穴傳輸層材料EtCz3EPA，有效地抑制了PSCs的紫外線降解，并顯著提高了器件的長期穩(wěn)定性。該研究結(jié)果為制備高效穩(wěn)定的PSCs提供了新的思路，并為PSCs的實際應用，尤其是戶外應用開辟了新的道路。

未來，可以通過進一步優(yōu)化HTL材料的設(shè)計，以及結(jié)合其他界面工程策略，進一步提升PSCs的性能，例如：

l 探索其他強鍵合HTL材料，以進一步提升器件的效率和穩(wěn)定性。

l 研究不同材料組合和界面修飾策略，以實現(xiàn)更高效的電荷傳輸和更穩(wěn)定的器件。

l 開發(fā)具有更高透明度和更低成本的HTL材料，以滿足大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用的需求。

相信隨著研究的深入，PSCs的效率和穩(wěn)定性將會得到進一步提升，并進而向未來產(chǎn)業(yè)化應用邁進，為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻力量。

參考文獻:Strong-bonding hole-transport layers reduce ultraviolet degradation of perovskite solar cells Nat. Energy (2024). sCIENCE_ DOI: 10.1126/science.adi4531

推薦設(shè)備_

1.      SS-X系列集成式解決方案_AM1.5G標準光譜太陽光模擬器+軟件: IVS-KA6000 + IVS-KA-Viewer

AM1.5G標準光譜太陽光模擬器

l A+光譜：接近AM1.5G標準光譜

l A+輻照度的時間不穩(wěn)定性

l SS-IRIS：自主研發(fā)技術(shù)自動光強操控

l 適合與手套箱集成的輸出光束方向

IVS-KA6000：IV測量軟件所有SS-X系列太陽光模擬器都可以通過IVS-KA6000軟件進行控制，該軟件是IV測量軟件，可用于準確的PV表征。不僅是光閘，輸出光輻照度也可以通過 IVS-KA6000 IV 軟件進行操控，幫助用戶輕松完成不同光強下復雜的IV測試或 Sun- Voc測試。來自IVS-KA6000的所有IV數(shù)據(jù)都可以通過IVS-KA-Viewer讀取和分析，這是另一款多功能分析軟件。

KA-Viewer IV 分析軟件可以大幅縮短用戶的數(shù)據(jù)處理時間，并可加快整體工藝改進研發(fā)的時程。