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【頂刊動(dòng)態(tài)】從AM/AFM/JACS期刊發(fā)文看太陽(yáng)能電池最新進(jìn)展

來(lái)源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2022-01-11 19:22:09 瀏覽：2739次

引言

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，又稱(chēng)為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”，在物理學(xué)上稱(chēng)為太陽(yáng)能光伏。其基本原理是，當(dāng)太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上時(shí)，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就可產(chǎn)生電流。

目前，太陽(yáng)能電池主要以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，根據(jù)太陽(yáng)能電池的基本特性，可以將其劃分為硅太陽(yáng)能電池；以無(wú)機(jī)鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；功能高分子材料制備的太陽(yáng)能電池；納米晶太陽(yáng)能電池等幾大類(lèi)。隨著傳統(tǒng)化石能源的枯竭，對(duì)太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等綠色新能源的開(kāi)發(fā)迫在眉睫，對(duì)太陽(yáng)能電池的研究也逐漸成為當(dāng)前學(xué)術(shù)領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。

國(guó)內(nèi)外許多太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的工作者共同推進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展，鑒于此，筆者一覽國(guó)內(nèi)外頂級(jí)期刊上近期對(duì)太陽(yáng)能電池的研究，介紹解讀了其中部分有關(guān)太陽(yáng)能電池的最新研究成果，希望能給相關(guān)科研工作者帶來(lái)一絲啟發(fā)。

最新成果速覽

Advanced Materials：17.6%效率！基于三維氯化網(wǎng)絡(luò)受體的準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102778

隨著光伏材料的創(chuàng)新和器件工藝的優(yōu)化，本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）在逐步提升，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是BHJ結(jié)構(gòu)的活性層薄膜形態(tài)調(diào)控是非常精確和復(fù)雜的過(guò)程。由于在旋涂過(guò)程中給體和受體的自組裝和聚集，為了獲得最佳的BHJ薄膜形貌，必須進(jìn)行各種器件工藝優(yōu)化。

對(duì)于一些高效的光伏材料體系，在某些溶劑中相容性不好時(shí)，采用BHJ器件結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較差的光伏性能，不能完全體現(xiàn)材料的優(yōu)異性。對(duì)于這類(lèi)具有良好光伏性質(zhì)的特殊材料，就需要采用平面異質(zhì)結(jié)（PHJ）器件結(jié)構(gòu)。含有給/受體材料的PHJ活性層通常采用連續(xù)旋涂的工藝，由于溶劑的溶脹和分子的擴(kuò)散，PHJ薄膜的中間連接處可能會(huì)產(chǎn)生微小的納米級(jí)體異質(zhì)結(jié)（BHJ）區(qū)域。

因此，研究者們將該結(jié)構(gòu)定義為準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)（Q-PHJ）。雖然目前Q-PHJ有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率落后于BHJ器件，但其仍然具有一定的優(yōu)勢(shì)。

有鑒于此，南方科技大學(xué)何鳳教授團(tuán)隊(duì)^[^1]基于聚合物給體D18和受體BTIC-BO-4Cl，制備了PCE高達(dá)17.6%的Q-PHJ有機(jī)太陽(yáng)能電池，是目前報(bào)道過(guò)的該類(lèi)型器件結(jié)構(gòu)的最高效率之一。

鑒于激子的擴(kuò)散距離和解離是制約Q-PHJ 器件效率的關(guān)鍵因素。為了研究激子的解離效率，作者測(cè)定了BTIC-BO-4Cl純膜、BHJ和Q-PHJ共混膜的光致發(fā)光(PL)猝滅光譜和瞬態(tài)吸收光譜，結(jié)果表明D18和BTIC-BO-4Cl的激子擴(kuò)散距離分別為33.2和41.2 nm，滿(mǎn)足高性能Q-PHJ器件的激子擴(kuò)散條件。最后，經(jīng)過(guò)器件工藝的優(yōu)化，BHJ器件的PCE僅為14.05%，而Q-PHJ器件的PCE高達(dá)17.6%，性能提升的主要因素來(lái)自于短路電流和填充因子的顯著增強(qiáng)。

該研究表明在某些獨(dú)特的光伏材料體系中，Q-PHJ結(jié)構(gòu)可以取代BHJ結(jié)構(gòu)制備性能優(yōu)異的有機(jī)太陽(yáng)能電池，為光伏材料的設(shè)計(jì)和器件制備提供新的研究思路。

圖1 D18和BTIC-BO-4Cl的分子結(jié)構(gòu)及電荷運(yùn)輸示意圖

圖2 BHJ器件和Q-PHJ器件的性能

Advanced Functional Materials：寬帶隙鈣鈦礦界面工程用于高效鈣鈦礦/CZTSSe串聯(lián)太陽(yáng)能電池

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202107359

隨著鈣鈦礦組分和制備工藝的發(fā)展，單節(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)了25%，展現(xiàn)出巨大的商業(yè)化潛力。為了進(jìn)一步突破單節(jié)太陽(yáng)能電池的理論效率極限，基于疊加窄帶隙的吸收層（比如鉛錫混合鈣鈦礦、晶體硅電池以及過(guò)渡金屬化合物電池）的寬帶隙鈣鈦礦電池由于可以更加充分地利用太陽(yáng)光，被研究者們視為一種非常有效的策略。所以，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域突破的核心環(huán)節(jié)之一就是制備高效率和高穩(wěn)定性的寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（E_g ≈ 1.6-1.9 eV）。

但是，寬帶隙鈣鈦礦電池普遍面臨著開(kāi)路電壓（V_OC）損失較大的問(wèn)題，這主要是由于鈣鈦礦內(nèi)部和表面較高的缺陷態(tài)密度以及界面間電荷的復(fù)合損失，從而限制了疊層電池效率的進(jìn)一步提高。

有鑒于此，香港城市大學(xué)Alex教授、南開(kāi)大學(xué)張毅教授及南方科技大學(xué)徐保民教授團(tuán)隊(duì)^[^2]聯(lián)合報(bào)道了一種對(duì)于寬帶隙鈣鈦礦電池簡(jiǎn)單有效的界面修飾策略。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)沉積二維鈣鈦礦層ODAPbI₄在空穴傳輸層PTAA一側(cè)誘導(dǎo)形成了超薄的準(zhǔn)二維鈣鈦礦，這一緩沖層的形成不僅能夠促進(jìn)空穴在界面處的抽取和收集，還能改善上層寬帶隙鈣鈦礦的晶體生長(zhǎng)，從而有效地抑制了由于高密度的離子缺陷和界面空穴-電子復(fù)合導(dǎo)致的非輻射復(fù)合損失。

相應(yīng)地，優(yōu)化后的寬帶隙鈣鈦礦電池（E_g ≈ 1.66 eV）最終實(shí)現(xiàn)了21.05%的能量轉(zhuǎn)換效率和1.23 V的開(kāi)壓電路，其中0.43 V的開(kāi)路電壓損失也是目前報(bào)道的寬帶隙鈣鈦礦器件的最低開(kāi)壓損失之一?；谶@一策略，作者將優(yōu)化后的寬帶隙鈣鈦礦電池做成半透明器件，與窄帶隙的CZTSSe底電池組成疊層電池，實(shí)現(xiàn)了22.27%的光電轉(zhuǎn)換效率，這一效率均高于單節(jié)的鈣鈦礦和CZTSSe電池。外量子效率（EQE）圖譜展示了兩部分電池對(duì)于太陽(yáng)能光譜的利用占比，最終積分得到的短路電流也與J-V測(cè)試得到的短路電流相匹配。這項(xiàng)工作為全溶液法、低成本和高效率的疊層電池的制備開(kāi)拓了新的思路。

圖3 利用ODAPbI₄夾層構(gòu)建準(zhǔn)二維鈣鈦礦界面示意圖及基本的結(jié)構(gòu)表征

圖4 制備的寬帶隙鈣鈦礦電池的性能

Advanced Functional Materials：一種可大規(guī)模制備柔性鈣鈦礦電池的新方法

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107726

得益于鈣鈦礦太陽(yáng)電池獨(dú)特的光物理特性、低能耗的制造工藝、柔性設(shè)備的兼容性以及針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的使用模式，其商業(yè)化潛力日益突出。在近十幾年以來(lái)，隨著科研工作者們的大力投入，不斷推動(dòng)并刷新記錄效率，其單節(jié)認(rèn)證效率已經(jīng)達(dá)到25.5%，滿(mǎn)足商業(yè)化使用的標(biāo)準(zhǔn)。

然而，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和大面積加工技術(shù)仍是鈣鈦礦太陽(yáng)電池商業(yè)化應(yīng)用的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其是將結(jié)晶質(zhì)量與器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)移到柔性大面積印刷上來(lái)。因此，如果想推動(dòng)柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池走向商業(yè)化的道路，就必須解決這兩個(gè)方面的科學(xué)問(wèn)題。此外，高質(zhì)量的鈣鈦礦晶體表面處仍存在著高活性的懸掛鍵，這種納米級(jí)缺陷對(duì)于鈣鈦礦器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性帶來(lái)了諸多弊端。

有鑒于此，南昌大學(xué)陳義旺教授團(tuán)隊(duì)和暨南大學(xué)李風(fēng)煜教授團(tuán)隊(duì)^[^3]提出了一種多尺度的缺陷策略來(lái)實(shí)現(xiàn)大面積柔性鈣鈦礦的加工制備。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)醋酸甲胺（MAAc）作為墨水輔助劑（IAS）引入到前驅(qū)體溶液中，可以有效調(diào)控鈣鈦礦膠體粒子的聚集行為。

作者利用通過(guò)原位光學(xué)顯微鏡觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在于參考樣品中較大尺寸的膠體粒子消失，這種被抑制的膠體粒子聚集行為可以有效地提高前驅(qū)體溶液的過(guò)飽和濃度閾值，繼而實(shí)現(xiàn)了多位點(diǎn)的同時(shí)成核以及更均勻的結(jié)晶質(zhì)量。隨機(jī)點(diǎn)位的紫外吸收測(cè)試同樣驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。

此外，作者通過(guò)預(yù)先沉積4-氯苯磺酸（Cl-BSA）于電極表面，實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定的鈣鈦礦界面，密度函數(shù)理論模擬計(jì)算和缺陷態(tài)密度測(cè)試表明界面處的缺陷得到了有效的鈍化。最終，基于1.01 cm²的刮涂器件得到了18.12%的光電轉(zhuǎn)換效率，且在空氣氣氛中穩(wěn)定性大幅提升。作者相信，這種多尺度缺陷修復(fù)策略為大面積柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了均質(zhì)性和穩(wěn)定性的集成設(shè)計(jì)理念。

圖5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程原理示意圖

圖6 制備的柔性鈣鈦礦器件的性能

JACS：有機(jī)染料敏化/Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c07200

鈣鈦礦材料中鉛元素限制了其商業(yè)化應(yīng)用，開(kāi)發(fā)新的非鉛鈣鈦礦材料能夠從根本上解決有毒元素對(duì)人類(lèi)生命健康的威脅。作為非鉛鈣鈦礦材料中的重要一員，雙鈣鈦礦Cs₂AgBiBr₆具有良好的光電性能和穩(wěn)定性，是一種潛在的太陽(yáng)能電池光敏材料。然而受制于本身較大的帶隙，Cs₂AgBiBr₆只能吸收波長(zhǎng)小于550 nm的光子，應(yīng)用其制備的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率仍然很低。

有鑒于此，吉林大學(xué)王曉峰教授團(tuán)隊(duì)^[^4]選取了三種商業(yè)化的吲哚染料D102、D131和D149，分別用其去敏化二氧化鈦電子傳輸層，并結(jié)合Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦，制備了相應(yīng)的染料敏化/雙鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，同時(shí)制備了染料敏化太陽(yáng)能電池和雙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為參照。

研究發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的光電流密度高于相應(yīng)的染料敏化太陽(yáng)能電池以及雙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。其中，基于D149/Cs₂AgBiBr₆異質(zhì)結(jié)的電池獲得了高達(dá)8.24 mA/cm²的短路電流密度和最高4.23%的光電轉(zhuǎn)化效率。

為了探究電池內(nèi)部的電荷傳輸方式，作者制備了無(wú)空穴傳輸層和無(wú)空穴傳輸層/鈣鈦礦層的器件。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)只去掉空穴傳輸層時(shí)，相較于異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，盡管電池的各項(xiàng)光電參數(shù)都有所降低，但是電池大體上仍能夠繼續(xù)工作；而當(dāng)同時(shí)去掉空穴傳輸層和雙鈣鈦礦層后，電池基本上不再能繼續(xù)工作，說(shuō)明在這個(gè)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池體系中，Cs₂AgBiBr₆能夠起到傳輸空穴的作用，即吲哚染料中位于激發(fā)態(tài)的空穴能夠經(jīng)由Cs₂AgBiBr₆的子帶隙傳出。

此外，作者還分析了染料/雙鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的暗態(tài)電流-電壓關(guān)系并進(jìn)行了電化學(xué)阻抗等測(cè)試，發(fā)現(xiàn)D102和D149的引入使得電池內(nèi)部的電荷傳輸更加高效，內(nèi)部的載流子復(fù)合情況也受到了抑制。這項(xiàng)工作對(duì)將染料敏化太陽(yáng)能電池與雙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相結(jié)合并構(gòu)筑具有高效吸收的吲哚染料/雙鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池提供了指導(dǎo)。

圖7 D102、D131和D149的分子結(jié)構(gòu)

圖8 基于D149/Cs₂AgBiBr₆異質(zhì)結(jié)的電池穩(wěn)定性

參考文獻(xiàn)

[1] Hui Chen, Tingxing Zhao, Long Li, et al. 17.6%-Efficient Quasiplanar Heterojunction Organic Solar Cells from a Chlorinated 3D Network Acceptor. Adv. Mater. 2021, 33, 2102778. DOI: 10.1002/adma.202102778.

[2] Deng Wang, Hongling Guo, Xin Wu, et al. Interfacial Engineering of Wide-Bandgap Perovskites for Efficient Perovskite/CZTSSe Tandem Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2021, 2107359. DOI: 10.1002/adfm.202107359.

[3] Zhi Xing, Suyu Lin, Xiangchuan Meng, et al. A Highly Tolerant Printing for Scalable and Flexible Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2021, 2107726. DOI: 10.1002/adfm.202107726.

[4] Baoning Wang, Na Li, Lin Yang, et al. Organic Dye/Cs₂AgBiBr₆ Double Perovskite Heterojunction Solar Cells. Journal of the American Chemical Society 2021 143 (36), 14877-14883. DOI: 10.1021/jacs.1c07200.

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