研究背景
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其高效率和低成本的潛力，成為了光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，盡管鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光電性能，窄帶隙錫鉛鈣鈦礦在薄膜器件中的應(yīng)用仍面臨著一系列挑戰(zhàn)，主要包括Sn(II)易氧化為Sn(IV)以及晶化過(guò)程難以控制。這些問(wèn)題限制了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能提升和穩(wěn)定性，尤其是在多結(jié)串聯(lián)光伏器件中的應(yīng)用。因此，如何提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量、均勻性和光電性能成為了當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為了解決這些挑戰(zhàn)，牛津大學(xué)Henry J. Snaith教授、Shuaifeng Hu（華中科技大學(xué)校友一作兼通訊）以及京都大學(xué)Atsushi Wakamiya攜手在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics”的最新論文。科學(xué)家們針對(duì)錫鉛鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，Sn(II)物種在與前驅(qū)體和添加劑的相互作用中起主導(dǎo)作用，羧酸對(duì)溶液膠體性質(zhì)和薄膜結(jié)晶有獨(dú)特調(diào)節(jié)作用，而銨鹽則在提高薄膜的光電性能方面發(fā)揮了重要作用。通過(guò)將這兩種功能基團(tuán)結(jié)合，氨基酸鹽材料顯著改善了鈣鈦礦薄膜的半導(dǎo)體質(zhì)量和均勻性，超越了單獨(dú)使用這些功能基團(tuán)時(shí)的效果。這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步提升錫鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率提供了新的思路。基于這些研究，科學(xué)家成功地制造出了單結(jié)、雙結(jié)和三結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，分別實(shí)現(xiàn)了23.9%、29.7%和28.7%的PCE（最高認(rèn)證效率為29.26%）。此外，封裝后的三結(jié)電池在工作環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好，具有80%的初始效率。該研究為多結(jié)光伏器件的進(jìn)一步發(fā)展設(shè)立了新的技術(shù)基準(zhǔn)。 值得一提的是，這是Henry J. Snaith教授2024年發(fā)表的第四篇Nature/Science！
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次揭示了錫鉛鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中Sn(II)物種的主導(dǎo)作用，揭示了羧酸和銨鹽在溶液膠體性質(zhì)調(diào)控和薄膜光電性能提高中的獨(dú)特作用。通過(guò)對(duì)不同功能基團(tuán)（氨基酸鹽）的選擇，實(shí)驗(yàn)首次結(jié)合了這兩種基團(tuán)的效應(yīng)，顯著提升了鈣鈦礦薄膜的半導(dǎo)體質(zhì)量和均勻性，超過(guò)了單獨(dú)使用功能基團(tuán)的效果。（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的化學(xué)組成和晶體生長(zhǎng)過(guò)程，成功實(shí)現(xiàn)了高效能的多結(jié)太陽(yáng)能電池。單結(jié)、雙結(jié)和三結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的PCE分別為23.9%、29.7%（認(rèn)證值29.26%）和28.7%，而1cm2的三結(jié)器件在最大功率點(diǎn)跟蹤下的PCE為28.4%（認(rèn)證值27.28%）。進(jìn)一步，封裝后的三結(jié)電池在860小時(shí)的最大功率點(diǎn)跟蹤測(cè)試中保持了80%的初始效率。此外，四結(jié)器件也表現(xiàn)出了27.9%的PCE和開(kāi)路電壓4.94V，展示了這一技術(shù)的潛力。 （3）實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)溶液化學(xué)，可以有效改善錫鉛鈣鈦礦材料的光電性能，尤其是通過(guò)合成氨基酸鹽等功能材料，增強(qiáng)了薄膜的均勻性和光電特性，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步提升提供了新的思路和路徑。
圖文解讀
圖1：Sn–Pb鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的化學(xué)性質(zhì)圖2：Sn–Pb鈣鈦礦薄膜的形貌、晶體結(jié)構(gòu)和電子特性
總結(jié)展望
本文通過(guò)深入研究錫鉛鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的化學(xué)性質(zhì)，揭示了氨基酸鹽在調(diào)節(jié)溶液膠體性質(zhì)、薄膜結(jié)晶以及光電性能方面的獨(dú)特作用。研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸鹽能夠顯著改善鈣鈦礦薄膜的均勻性和半導(dǎo)體質(zhì)量，超越了傳統(tǒng)單一功能基團(tuán)的效果。這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步提升鈣鈦礦光伏器件的效率提供了新的思路，尤其是在多結(jié)光伏器件中，鈣鈦礦材料的優(yōu)異帶隙可調(diào)性使其具備了廣闊的應(yīng)用前景。此外，通過(guò)改進(jìn)錫鉛鈣鈦礦材料的氧化抑制和晶化過(guò)程，本研究突破了鈣鈦礦多結(jié)電池在實(shí)際應(yīng)用中的瓶頸，成功制造出具有高效率和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性的太陽(yáng)能電池。這些成果不僅推動(dòng)了鈣鈦礦光伏技術(shù)的進(jìn)步，也為實(shí)現(xiàn)更高效、低成本的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)?？茖W(xué)家們可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化前驅(qū)體溶液配方和工藝控制，進(jìn)一步提升鈣鈦礦光伏材料的性能，推動(dòng)這一技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛推廣。Hu, S., Wang, J., Zhao, P. et al. Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08546-y
