作為一種新型功能材料，短短十年時間內(nèi)，其光電轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%快速提升至25%以上，已經(jīng)趕上甚至超過傳統(tǒng)硅基太陽能電池，其光電器件表現(xiàn)出制備工藝簡單、低成本、柔性性能優(yōu)異、光電性能突出等優(yōu)勢，作為光電明星材料在下一代發(fā)光、光伏及探測領(lǐng)域很有應(yīng)用前景。

鈣鈦礦電池雖然有諸多優(yōu)點，但是在邁向產(chǎn)業(yè)化的道路上仍然有很多問題需要克服，例如穩(wěn)定性因素和大面積制備的問題等。其中穩(wěn)定性的制約因素較多，主要有內(nèi)在因素（濕度，氧氣）、外在因素（光照，偏壓，加熱等）以及本征不穩(wěn)定性（離子遷移，晶界應(yīng)力，金屬-鈣鈦礦反應(yīng)等）。

針對效率，穩(wěn)定性，大面積加工，應(yīng)用/成本等鈣鈦礦材料發(fā)展路上的攔路虎，小編整理總結(jié)了幾位大佬的科研成果供大家參考。

1.效率：南京大學(xué)譚海仁課題組全鈣鈦礦最高認(rèn)證效率達(dá)28%。

“雙碳”目標(biāo)是我國重大戰(zhàn)略決策，而發(fā)展清潔低成本的太陽能光伏發(fā)電，則是實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑與技術(shù)保障。南京大學(xué)譚海仁教授課題組圍繞“全鈣鈦礦疊層太陽能電池”這一國際前沿科學(xué)領(lǐng)域開展了系統(tǒng)深入的研究。近期，譚海仁老師團(tuán)隊在全鈣鈦礦疊層電池領(lǐng)域取得*進(jìn)展，經(jīng)日本電氣安全和環(huán)境技術(shù)實驗室（JET）國際 認(rèn)證的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)28.0%，超越了傳統(tǒng)晶硅電池。

與單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池相比，全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池有望實現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），同時保持較低的制造成本。然而，它們的性能在很大程度上仍然受到Pb-Sn混合窄帶隙鈣鈦礦子電池性能不佳的制約，這主要是由于鈣鈦礦薄膜表面的陷阱密度較高。雖然使用混合2D/3D鈣鈦礦的異質(zhì)結(jié)可以減少表面復(fù)合，但這種常見的策略會導(dǎo)致傳輸損耗，從而限制器件的填充系數(shù)。

圖2. 3D/3D雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及窄帶隙鈣鈦礦電池光伏性能。a,含有3D/3D雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)（PHJ）的窄帶隙鈣鈦礦電池器件結(jié)構(gòu)。b,3D/3D雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的截面HR-STEM圖和相應(yīng)的EDX圖。c,PHJ鈣鈦礦薄膜的飛行時間二次離子質(zhì)譜圖。d,對照器件（control）和PHJ窄帶隙鈣鈦礦電池的光伏性能統(tǒng)計圖。e,*性能PHJ鈣鈦礦電池的J-V曲線。DOI:10.1038/s41586-023-06278-z

基于此，譚海仁教授課題組在Pb-Sn鈣鈦礦/電子傳輸層界面開發(fā)了一種具有II型能帶結(jié)構(gòu)的不混溶3D/3D雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)，以抑制界面非輻射復(fù)合并促進(jìn)電荷提取。雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)是通過混合蒸發(fā)/溶液處理方法在混合Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦頂部沉積一層鉛鹵化物寬帶隙鈣鈦礦形成的。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)使我們能夠?qū)⒕哂?.2µm 厚吸收層的Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的PCE提高到23.8%，同時具有0.873V的高開路電壓(Voc)和82.6%的高填充因子。因此，我們證明全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的PCE達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的28.5%（認(rèn)證為28.0%）。在模擬單太陽光照下連續(xù)運(yùn)行600小時后，封裝的串聯(lián)器件仍能保持90%以上的初始性能。

2.穩(wěn)定性：蘇州大學(xué)李耀文課題組在高效穩(wěn)定、環(huán)境友好的鈣鈦礦太陽能電池及組件方面的新進(jìn)展

近年來，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展迅猛，其認(rèn)證效率已經(jīng)突破26.1%。使用非摻雜HTLs是穩(wěn)定n-i-p pero-SCs的關(guān)鍵。然而，這些HTL材料通常需要使用有毒溶劑氯苯（CB）進(jìn)行加工，不適合工業(yè)生產(chǎn)。而使用綠色溶劑時，由于HTL材料在溶劑中的溶解度有限，導(dǎo)致薄膜形貌不理想，會大幅犧牲器件性能。為了解決這一問題，蘇州大學(xué)李耀文教授等人通過引入不對稱極性低聚乙二醇（OEG）側(cè)鏈，設(shè)計了一種非對稱線性有機(jī)小分子BDT-C8-3O。

圖3.(a)BDT-DC8和BDT-C8-3O的分子結(jié)構(gòu)。(b)BDT-DC8和BDT-C8-3O的薄層色譜實驗的Rf值和水接觸角測量。(c)漢森空間示意圖及利用其來評估溶質(zhì)和溶劑在三維坐標(biāo)系中的溶解情況。(d)BDT-DC8和(e)BDT-C8-3O的漢森溶解度參數(shù)。DOI:10.1002/anie.202312231

這種方法不僅克服了在綠色溶劑中的溶解度限制，還能將共軛主鏈以兩種模式堆疊，從而進(jìn)一步提高結(jié)晶度和空穴遷移率。因此，基于氯苯或綠色（天然化合物）溶劑3-甲基環(huán)己酮加工的BDT-C8-3O HTL 的ni-p鈣鈦礦太陽能電池不含任何摻雜劑，其功率轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了24.11%（認(rèn)證值為23.82%）和23.53%，創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。這些器件還表現(xiàn)出工作穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，在2000小時內(nèi)分別保持了超過84%和79.5%的初始效率。令人鼓舞的是，不含摻雜劑的BDT-C8-3O HTL 在大面積制造方面具有顯著優(yōu)勢，即使在使用綠色溶劑加工時，5×5平方厘米模塊（有效面積：15.64平方厘米）的PCE也超過了20%。

3.大面積加工：華中科技大學(xué)陳煒課題組——高效率薄膜太陽能組件中刮涂大面積、高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜所需的溶劑體系

在過去的近十年，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）取得了顯著進(jìn)展。該類型的薄膜電池一直是近年光伏技術(shù)的重點，顯示出巨大的商業(yè)化潛力。然而，為滿足實際應(yīng)用需求，將小面積PSC過渡到大面積太陽能組件仍然是一個重大挑戰(zhàn)。因而簡單、可重復(fù)的工藝大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜對于解決這個問題至關(guān)重要。

此外，鈣鈦礦薄膜的溶液加工制備過程中其結(jié)晶行為會受到前驅(qū)體溶液的物理化學(xué)性質(zhì)的強(qiáng)烈影響，而前驅(qū)體溶液物理化學(xué)性質(zhì)受到所用溶劑及其與溶質(zhì)相互作用的顯著影響。因此，全面了解用于大面積制造鈣鈦礦薄膜的溶劑工程是非常意義重大的。

在本文中，華中科技大學(xué)陳煒課題組基于鈣鈦礦晶體成核、生長機(jī)理，首先分析了溶劑工程在大面積鈣鈦礦薄膜溶液法加工制備中的重要作用，及其對高效率太陽能組件產(chǎn)業(yè)化的推動。并基于上述分析，提出了高效太陽能組件中大面積鈣鈦礦薄膜可擴(kuò)展制備溶劑體系設(shè)計的基本原則和未來發(fā)展方向。

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