研究背景
隨著對可再生能源需求的不斷增長，尋找高效、穩定的太陽能電池技術成為了科學家們的重要課題。其中，有機-無機混合金屬鹵化物鈣鈦礦材料被發現具有出色的光電轉換性能，成為了太陽能電池領域的一個引人注目的新興材料。這種材料構成的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在短短的十年時間內取得了巨大的進步，其功率轉換效率（PCE）迅速增長，為實現可持續能源轉型提供了希望。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）是一種基于有機-無機混合金屬鹵化物鈣鈦礦材料的光電轉換器件，具有高效的光電轉換性能。然而，盡管PSCs表現出很高的潛力，但在實際應用中仍然存在一些挑戰。其中之一是PSCs的結構設計，主要有兩種結構：常規結構和倒置結構。這兩種結構的選擇對器件的性能和穩定性至關重要，因此成為了研究的重點之一。鈣鈦礦太陽能電池中的一個重要問題是在器件運行過程中出現的效率損失和穩定性問題。這些問題主要源于鈣鈦礦材料本身以及其與電荷傳輸層（CTLs）之間的界面相互作用。此外，常用的有機空穴傳輸層（HTL）在摻雜和氧化方面存在一些挑戰，限制了器件的效率和穩定性。有鑒于此，美國（National Renewable Energy Laboratory）國家可再生能源實驗室朱凱和蔣琦兩個人在“Nature Reviews Materials”期刊上發表了題為“Rapid advances enabling high-performance inverted perovskite solar cells”的最新論文綜述。科學家們進行了大量的研究工作。他們通過改進傳輸材料的選擇和性能，優化鈣鈦礦材料的組成和制備方法，以及設計界面工程策略來提高PSCs的性能和穩定性。特別地，他們對倒置結構的p-i-n PSCs進行了深入研究，通過避免有害的摻雜和優化界面工程，顯著提高了器件的穩定性和效率。
研究亮點
1.研究團隊在2013年首次報道了p-i-n結構的PSCs，標志著該領域的重要里程碑。這種結構的引入為PSCs的發展開辟了新的道路，激發了后續研究的興趣和活力。2.研究發現，相較于傳統的TiO2層，SnO2 ETL不僅具有出色的電學和光學性能，而且可以在較低溫度下制備，極大地提高了制備工藝的可行性和器件的再現性。3. 挑戰和解決方案：CTLs對器件穩定性的影響：
- 摻雜和氧化要求的復雜性：常用的有機空穴傳輸層（HTLs）的摻雜和氧化要求復雜，影響了器件的穩定性和性能。
- 解決方案：添加劑工程和界面工程策略：研究人員通過添加劑工程和界面工程策略，改善了鈣鈦礦層的質量，增強了界面的穩定性，從而提高了整體器件的性能和穩定性。
4. 從首次報道的3.9%效率到2020年的超過22%的認證效率，p-i-n結構的PSCs經歷了快速的效率提升，這得益于材料和界面強度方面的創新。5. p-i-n結構由于其較少的寄生吸收和易于與其他光伏技術集成的特點，成為高效率鈣鈦礦基串聯太陽能電池的主流。未來的研究方向包括進一步提高器件的穩定性、優化互連層（ICLs）和透明頂部接觸，以及探索更多的新材料和制備策略。
圖文解讀
圖1: 鈣鈦礦太陽能電池的典型結構和器件效率進展。
圖2:高效p–i–n鈣鈦礦太陽能電池的代表性電荷傳輸材料。
研究結論
本文揭示了鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在p-i-n結構方面的長足發展和關鍵技術進展。通過對器件結構的演變和關鍵材料的優化，PSCs的功率轉換效率（PCE）已達到令人矚目的水平，并且穩定性已通過多項國際標準測試。在優化器件的過程中，特別是在界面工程、傳輸材料的發展和太陽能電池結構的創新方面，科學家們不斷探索新的策略和方法，以提高PSCs的性能和穩定性。此外，雙面太陽能電池作為一種有效的提高效率和穩定性的新方向得到了探索，其充分利用環境光來增強光吸收和能量產量。這些研究為未來的PSCs技術發展提供了重要的啟示，鼓勵學術界和工業界的研究人員持續關注并投入到PSCs的進一步研究和開發中，以實現更高效、更穩定的太陽能電池技術，并推動可再生能源領域的進步。原文詳情：Jiang, Q., Zhu, K. Rapid advances enabling high-performance inverted perovskite solar cells. Nat Rev Mater (2024). https://doi.org/10.1038/s41578-024-00678-x
