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特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。

原創丨米測MeLab

編輯丨風云

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研究背景

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）作為一種新興的光伏技術，因其高效率和低成本的優勢而備受關注。

關鍵問題

然而，PSCs主要存在以下問題：

1、鈣鈦礦太陽能電池難以實現長期穩定性

鈣鈦礦材料對環境因素如濕度、氧氣、溫度變化和光照非常敏感，這些因素會導致材料降解，降低電池性能和壽命，因此PSCs由于其脆弱的界面難以實現長期穩定性。

2、開發富勒烯的替代品以實現穩定的鈣鈦礦界面存在挑戰

在倒p-i-n PSCs中，鈣鈦礦與ETL界面會導致效率損失，形成深阱態。富勒烯ETL的高成本和較差的機械性能促使人們尋找替代品，如金屬氧化物，但替代過程中存在挑戰，如濺射氧化物可能會破壞鈣鈦礦表面，直接在鈣鈦礦上沉積SnOx的原子層（ALD）會產生化學反應和界面障礙，導致器件的PCE低于1%。

新思路

有鑒于此，香港城市大學朱宗龍等人在保護鈣鈦礦的同時，將鈣鈦礦與孔選擇性接觸共沉積，從而在不使用富勒烯的情況下沉積SnO_x/Ag。通過原子層沉積制備的SnO_x可作為耐用的無機電子傳輸層。剪裁SnO_x層中的氧空位缺陷導致功率轉換效率(PCEs) >25%。所獲得的器件比傳統的p-i-n PSCs具有更好的穩定性，成功地滿足了幾個基準穩定性測試。在模擬的AM1.5照明下，在65°C的最大功率點連續工作2000小時后，它們保持了>95%的PCE。此外，他們擁有認證的T₉₇壽命超過1000小時。

技術方案：

1、通過優化原子層沉積（ALD）技術制備的SnO_x ETL

通過優化原子層沉積（ALD）技術制備的SnO_x電子傳輸層（ETL），實現了鈣鈦礦太陽能電池性能的顯著提升。

2、進行了層間特性調制及理論分析

作者通過引入不同比例的TDMASn:H₂O的SnOx(i)中間層，顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的電致發光量子效率，并減少了缺陷密度，優化了載流子提取。    

3、證實了基于SnO_x的鈣鈦礦太陽能電池的操作穩定性

作者通過實際操作測試證實了基于SnO_x的鈣鈦礦太陽能電池具有卓越的穩定性，其穩定性源于SnO_x層有效減少了非輻射復合和能量損失。

4、通過室外老化試驗證實了基于SnO_x鈣鈦礦太陽能電池的穩定性

作者通過考察室外溫度、相對濕度和太陽輻射強度等進行了室外老化試驗，驗證了SnO_x器件的自封裝機制，保持器件性能。

技術優勢：

1、設計了新型器件架構實現了器件的效率和長期穩定性

作者重新設計了倒置的PSC器件架構，去除了傳統的富勒烯ETL，轉而使用通過ALD技術制備的SnO_x作為耐用的無機ETL。這種新型架構不僅提高了器件的效率，而且由于SnO_x的高熱穩定性，也增強了器件的長期穩定性。

2、創新地界面化學處理顯著提高了光電轉換效率

作者引入了脂肪族胺功能化的苝-二亞胺（PDINN）到3-氟苯乙基碘化銨（m-F-PEAI）表面鈍化，有效減少了界面處的非輻射復合，提高了電子提取效率。此外，通過引入微量的氧空位來激活界面載流子，進一步促進了電子提取，使得光電轉換效率（PCE）達到了25.1%。

技術細節

SnO_x的沉積

作者通過簡化器件結構和優化電子傳輸層（ETL）制備，顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的性能。采用玻璃/ITO/有源層/鈍化層/SnO_x/Ag結構，并通過調整四甲基二甲氨基錫（TDMASn）與水的比例及沉積周期，優化了SnO_x ETL。研究發現，TDMASn與水比例為50:20，沉積300次時，電池效率最高，達到21.8%。進一步引入SnO_x中間層，當TDMASn:H₂O比為200:20，沉積30次時，實現了25.1%的光電轉換效率。通過優化界面，減少了填充因子損耗，提高了載流子提取效率，展現了該研究在提升PSCs性能和可重復性方面的顯著進展。    

圖  器件制造與性能

層間特性及理論分析

作者通過引入不同TDMASn:H₂O比例的SnO_x(i)中間層，優化了鈣鈦礦太陽能電池的性能。電致發光量子效率(EQE-EL)測試顯示，隨著TDMASn:H₂O比例的增加，EQE-EL值提升，表明減少了非輻射復合和能量損失。光致發光(PL)表征揭示了引入SnO_x(i)中間層后，載流子提取更均勻，PL強度分布更均勻，證實了改善和均勻化了載流子提取。密度泛函理論(DFT)計算進一步闡明了氧空位(VO)的形成對載流子分布的影響，以及PDINN分子緩沖層對載流子傳輸和界面反應的調控作用。這些發現表明，通過精確控制中間層的化學計量比和結構，可以有效提升電池的載流子提取效率和均勻性，從而提高電池性能。    

圖  層間調制

操作的穩定性

作者測試了基于SnO_x的鈣鈦礦太陽能電池在連續1個太陽照射下的穩定性，發現該器件在65°C MPPT下工作2000小時后，仍保持超過95%的初始PCE。第三方機構的穩定性測試也證實了這一結果，即使在連續運行1000小時后，基于SnO_x的設備仍顯示出超過97%的初始PCE的卓越穩定性。相比之下，控制裝置在950小時后PCE下降到初始值的80%。TOF-SIMS測試表明，SnO_x層有效防止了碘離子的擴散，保護了鈣鈦礦層。此外，熱循環測試顯示，基于SnO_x的器件在800個循環后平均降解率僅為4.7%，遠低于控制裝置的28.1%。在ISO標準環境穩定性測試中，SnO_x基器件表現出優異的環境穩定性，即使在高溫高濕條件下，未封裝的SnO_x基器件的衰減率也低于3.0%。這些結果表明，SnO_x層不僅提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，還實現了有效的自我保護，減少了對外部封裝的依賴。    

圖  操作的穩定性

室外老化試驗

在室外老化試驗中，未封裝的基于SnO_x的鈣鈦礦太陽能電池表現出卓越的穩定性。經過50天的戶外環境測試，其性能衰減率僅為1.1%，遠低于封裝控制裝置的4.8%衰減率。這一結果驗證了SnO_x器件的自封裝機制，有效抑制了外部水分和氧氣的滲透，延長了設備壽命，并減少了離子從鈣鈦礦層向ETL或電極的擴散，保持器件性能。    

圖  環境穩定性

展望

總之，作者通過調節中間層中的氧空位缺陷濃度證明了具有SnO_x特征的簡化無富勒烯PSCs器件結構的有效性。研究發現，氧缺陷的微調減少了鈣鈦礦和ETLs之間的負懸崖狀帶偏移，從而減少了載流子提取和轉移過程中的能量損失。該調制器件的效率可達25.1%，且具有良好的穩定性。在65℃長期MPPT穩定性測試下，設備T₉₅老化壽命超過2000小時(第三方認證T₉₇穩定壽命超過1000小時)。這種簡化、高效和穩定的器件架構為低成本和可重復的PSCs的開發提供了見解。 

參考文獻：

DanPeng Gao, et al. Long-term stability in perovskite solar cells through atomic layer deposition of tin oxide. Science, 2024, 386(6718):187-192.

DOI: 10.1126/science.adq8385

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq8385