前言

如何在不犧牲半透明特性的前提下，提高太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性，一直是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的解決方案主要集中在通過(guò)添加功能性障礙層來(lái)改善鈣鈦礦晶界的穩(wěn)定性，但這往往不足以解決所有問(wèn)題。因此，探索新的策略來(lái)提升半透明太陽(yáng)能電池的性能，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)在降低建筑能耗方面的應(yīng)用至關(guān)重要。

中國(guó)科學(xué)院宋延林研究員和鄭州大學(xué)馬俊杰教授、張懿強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Energy Materials（26th Aug. 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402595）期刊發(fā)表了一種通過(guò)應(yīng)變工程穩(wěn)定雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（ST-PSCs）相位均勻性的方法。該方法利用壓縮應(yīng)變重建鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，消除相分離并抑制光誘導(dǎo)的離子遷移，同時(shí)采用透明的光捕獲結(jié)構(gòu)提高光捕獲效率。結(jié)果表明，雙面ST-PSCs實(shí)現(xiàn)了13.97%的等效效率和41.58%的平均可見(jiàn)光透過(guò)率，光利用效率高達(dá)5.8%。該研究為開(kāi)發(fā)高性能半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了新的策略。

導(dǎo)讀目錄

1.       前言

2.       研究目的

3.       研究方法

4.       器件與表征

5.       結(jié)論

研究目的

1. 通過(guò)應(yīng)變工程改善雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（ST-PSCs）的相位均勻性，以提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光電性能。

2. 開(kāi)發(fā)一種新型的ST-PSCs，具有雙面光捕獲配置，能夠從設(shè)備的兩側(cè)利用光線，從而提高光利用效率（LUE）。

3. 利用在位重構(gòu)策略（ISR）和酸陰離子主導(dǎo)的劑來(lái)引發(fā)壓縮應(yīng)變，從而強(qiáng)化鈣鈦礦晶格，抑制離子遷移，并改善相位穩(wěn)定性。

4. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論計(jì)算，揭示壓縮應(yīng)變?cè)谝种葡喾蛛x和提高光穩(wěn)定性方面的作用機(jī)制。

5. 實(shí)現(xiàn)高性能的ST-PSCs，具有優(yōu)異的等效效率（neg）、平均可見(jiàn)光透射率（AVT）和LUE，以滿足建筑物整合光伏（BIPV）和其他應(yīng)用的需求。

6. 研究未封裝設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，并展示其在持續(xù)光照條件下的性能保持能力。

研究方法

重構(gòu)策略（In Situ Reconstruction, ISR）是通過(guò)在鈣鈦礦薄膜表面錨定酸陰離子主導(dǎo)的劑來(lái)應(yīng)用于雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（ST-PSCs）的。這些酸陰離子主導(dǎo)的劑（如NO3^-, PO4^3-, CO3^2-）與鈣鈦礦框架之間的結(jié)合力產(chǎn)生了壓縮應(yīng)變，這對(duì)維持結(jié)構(gòu)的剛性以抵抗光照刺激至關(guān)重要。

壓縮應(yīng)變通過(guò)硅酸鹽的立體阻礙效應(yīng)，導(dǎo)致局部晶格排列得更緊密，從而增加了離子遷移的能量障礙。這種方法不僅促進(jìn)了薄膜的均勻性，還通過(guò)在位重構(gòu)策略，利用酸陰離子主導(dǎo)的劑來(lái)改善相位穩(wěn)定性，并抑制了光誘導(dǎo)的離子遷移。此外，研究還設(shè)計(jì)了一種新的ST-PSCs，具有雙面光捕獲配置，以提高功率生成。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高光利用效率（LUE）、等效效率（neg）和平均可見(jiàn)光透射率（AVT）。

器件與表征

1.       材料表征：使用光譜儀進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析，使用X射線光電子能譜儀進(jìn)行X射線光電子能譜（XPS）分析，使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行表面形態(tài)和能量色散X射線光譜（EDS）分析，以及使用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光亮度計(jì)進(jìn)行紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜分析。

2.       電性能測(cè)量：在AM 1.5G, 1 sun模擬的照射條件下，使用Enlitech的SS-X180R系統(tǒng)測(cè)量雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（ST-PSCs）的電流密度-電壓（J-V）特性。

圖S18：（a）雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（ST-PSCs）的設(shè)備結(jié)構(gòu)；（b）經(jīng)過(guò)微結(jié)構(gòu)（MSs）處理和未經(jīng)處理的設(shè)備的電流密度-電壓（J-V）特性曲線。

圖5d：展示了雙面光捕獲半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（ST-PSCs）的J-V曲線，這些曲線是在玻璃基板和透明電極下的入射光條件下測(cè)量的。

Enlitech的SS-X180R系統(tǒng)在測(cè)量雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的J-V特性時(shí)，具體優(yōu)勢(shì)包括：

l 精確的太陽(yáng)光模擬：SS-X180R系統(tǒng)能夠提供AM 1.5G, 1 sun的模擬太陽(yáng)光照，即100 mW/cm2的照度，這是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件，用于評(píng)估太陽(yáng)能電池的性能。

l 雙面測(cè)量能力：該系統(tǒng)適合測(cè)量雙面半透明太陽(yáng)能電池，能夠分別測(cè)量前側(cè)和后側(cè)的J-V特性。

l 高靈敏度：系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于捕捉電池在不同光照條件下的精細(xì)電性能變化，提供高精度的測(cè)量結(jié)果。

l 用戶友好的操作界面：配有直觀的軟件界面，使得測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單易行，并且能夠快速分析和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。

l 全面的數(shù)據(jù)分析：除了基本的J-V曲線外，該系統(tǒng)還可測(cè)量Voc, Isc, FF, Imax, Vmax, Pmax, η, Rs, Rsh參數(shù)，幫助研究人員進(jìn)一步理解太陽(yáng)能電池的性能。

Enlitech太陽(yáng)光模擬器SS-X實(shí)際裝機(jī)示意圖

3.       X射線衍射分析：使用多功能X射線衍射儀進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，使用Cu Kα輻射（λ=1.54184 ?）。

4.       晶體結(jié)構(gòu)分析：使用分光計(jì)進(jìn)行掠入射廣角X射線衍射（GIWAXS）分析，以及使用X射線衍射儀進(jìn)行掠入射X射線衍射（GIXRD）分析，以測(cè)量表面晶格應(yīng)力。

5.       空間電荷限制電流（SCLC）測(cè)量：用于研究電荷載流子遷移率和陷阱密度，并使用公式計(jì)算缺陷密度。

6.       光利用效率（LUE）評(píng)估：作為評(píng)估ST-PSCs性能的綜合指標(biāo)，結(jié)合了PCE（光電轉(zhuǎn)換效率）和AVT（平均可見(jiàn)光透過(guò)率）。

結(jié)論

為了穩(wěn)定雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（ST-PSCs）的相位均勻性，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種通過(guò)原位晶格重構(gòu)初始化壓縮應(yīng)力的方法。使用酸陰離子主導(dǎo)的劑來(lái)錨定和重構(gòu)鈣鈦礦晶格，從而形成了具有方向性的晶體結(jié)構(gòu)和均勻分布的載流子空間分布。這種方法增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)抵抗光照刺激的剛性，抑制了離子遷移，并提高了相位穩(wěn)定性。

此外，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種用于ST-PSCs的雙面光捕獲配置，顯著提高了光利用效率（LUE）。該配置實(shí)現(xiàn)了5.8%的LUE、13.97%的等效效率（neg）和41.58%的平均可見(jiàn)光透過(guò)率（AVT），在透明度和效率之間取得了良好的平衡，使其在實(shí)際應(yīng)用中具有潛力。

研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)基團(tuán)與溴離子和碘離子之間的結(jié)合能對(duì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變至關(guān)重要，其中CO薄膜表現(xiàn)出比NO和PO薄膜更高的結(jié)合能。這種局部應(yīng)變有助于通過(guò)錨定陽(yáng)離子將不穩(wěn)定的溴離子和碘離子固定在原地。

此外，未封裝的器件在經(jīng)過(guò)該方法處理后表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在最大功率點(diǎn)（MPP）條件下連續(xù)光照500小時(shí)后仍保留了90.16%的初始效率，這表明通過(guò)應(yīng)變補(bǔ)償來(lái)減輕相位分離是可行的。

文獻(xiàn)參考自Advanced Energy Materials 26th Aug. 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402595

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