鈣鈦礦太陽能電池（PSC）在近年來展現出驚人的發展勢頭， 其高效率、低成本和制備工藝簡單等優點， 使得它成為下一代太陽能電池的重要候選技術。 然而， 鈣鈦礦材料本身存在著一些挑戰， 例如， 材料的穩定性問題， 以及在器件制備過程中， 不同晶體生長方向的控制問題。
鈣鈦礦薄膜成為未來鈣鈦礦太陽能電池發展的主要關鍵，主要原因有：
l 高光電轉換效率: 鈣鈦礦材料具有優異的光吸收性能和電子-空穴對的生成能力，能夠實現高效的光電轉換。目前，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經超過25%，與傳統的硅基太陽能電池相媲美。
l 低成本生產: 鈣鈦礦材料的原料豐富且價格低廉，其制造過程可以采用溶液處理、噴涂、旋涂等低溫工藝，顯著降低生產成本。相比之下，傳統的硅基太陽能電池需要高溫、高真空的復雜工藝。
l 材料可調性: 通過改變鈣鈦礦材料的組成和結構， 可以調節其能帶結構、光吸收范圍和載流子遷移率。這種可調性使得鈣鈦礦太陽能電池能夠適應不同的應用需求，并不斷提升其性能。
l 柔性和可打印性: 鈣鈦礦材料可以沉積在柔性基底上， 制造出輕便、 柔軟的太陽能電池。此外， 其可打印性使得大面積生產成為可能， 進一步降低了制造成本并拓寬了應用領域， 如便攜式電子設備、 建筑一體化光伏等。
l 穩定性提升: 盡管早期的鈣鈦礦太陽能電池存在穩定性問題， 但通過界面工程、 材料改性和封裝技術的改進， 鈣鈦礦薄膜的環境穩定性和使用壽命有了顯著提升。 這為其商業化應用鋪平了道路。
為了解決這些問題， 科研人員一直在不斷探索新的制備方法和材料， 希望可以獲得更高效、 更穩定的鈣鈦礦太陽能電池器件。
近期， 中國科學院大連化學物理研究所李燦院士帶領的研究團隊在 Energy & Environmental Science 雜志發表了一項重磅研究成果。 他們的研究揭示了鈣鈦礦薄膜中 (111) 晶面的優勢， 并通過巧妙的添加劑策略， 成功地實現了 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜的制備。 相比傳統 (100) 晶面主導的薄膜， 該團隊獲得的 (111) 晶面薄膜展現出更強的抗潮氣性能， 并擁有更好的穩定性和更高的效率！
【(111) 晶面主導： 穩定性和效率的雙重提升】
通常情況下， 鈣鈦礦薄膜中 (100) 晶面更易于形成。 然而， (111) 晶面展現出了優勢， 例如更強的抗潮氣性能， 以及更高的光電轉化效率。
該團隊通過將有機銨鹽（OAS）添加到 PbI2 前驅體溶液中， 利用兩步沉積法成功制備出了 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜。 他們的研究揭示了這種 (111) 晶面的形成機制：
OAS 陽離子的作用: OAS 陽離子的尺寸比 FA+ 離子更大， 它們在第一步中會插入 PbI2 層間， 阻礙 FA+ 在第二步中進入 (100) 晶面暴露的晶體， 從而抑制了 (100) 晶面的生長。
(111) 晶面的優勢: 而 FA+ 離子會位于 (111) 晶面外部， 不會受到 OAS 陽離子的阻礙， 使得 (111) 晶面能夠自由生長， 最終獲得了 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜。
OAS 陰離子的作用: OAS 陰離子會減緩鈣鈦礦的生長速度， 延長 (100) 晶面生長的抑制時間， 進一步促進 (111) 晶面的形成。
最終， 他們制備的 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜展現出更高的穩定性以及更高效的光電轉換特性， 在太陽能電池中實現了 25.23% 的光電轉化效率， 顯著高于那些由混合 (111) 和 (100) 晶面組成的薄膜的效率。
【精密的操控: 解開(111) 晶面薄膜制備背后的奧秘】
為了對鈣鈦礦太陽能電池的性能進行精確的測量， 該團隊使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 以及 SS 系列 AM1.5G 太陽光仿真器。
QE-R 設備能夠在不同的波長下測量電池的外量子效率 (EQE)， 精確地分析鈣鈦礦材料的光電轉換特性。
SS 系列太陽光仿真器 可以模擬真實太陽光照射條件， 確保對電池性能的準確評估。
然而， 鈣鈦礦太陽能電池在研發過程中仍然面臨一些瓶頸問題：
l 穩定性問題: 鈣鈦礦材料對濕氣、 氧氣和光照敏感， 容易發生降解， 導致器件性能快速下降。 如何提高鈣鈦礦薄膜的長期穩定性仍是一個重大挑戰。
l 材料毒性: 鈣鈦礦材料中常用的鉛元素對環境和人類健康可能造成潛在危害。 尋找無鉛或低毒性替代材料是當前研究的重點之一。
l 制造工藝控制: 鈣鈦礦薄膜的制備需要高度精確的工藝控制， 以確保薄膜的均勻性和質量一致性。 在大規模生產中， 實現穩定可靠的工藝控制仍需進一步探索和優化。
l 界面工程: 鈣鈦礦太陽能電池的性能受制于各層界面的質量和相互作用。 優化各層界面的接觸特性、 降低界面缺陷和提高界面穩定性是提升器件性能的關鍵。
l 電荷傳輸和收集效率: 盡管鈣鈦礦材料具有優異的光電特性， 但電荷傳輸層和收集層的選擇和優化仍需深入研究， 以進一步提升器件的整體效率和穩定性。
l 規模化生產技術: 如何將實驗室中的高效制備方法轉化為適合工業化大規模生產的工藝， 需要在設備、 工藝參數和材料選擇上進行大量研究和試驗。
l 封裝技術: 有效的封裝技術對于保護鈣鈦礦太陽能電池免受外界環境影響至關重要。 如何實現低成本、 高效率的封裝是商業化應用中的一個重要課題。
l 標準化和一致性: 不同研究團隊之間的實驗方法和評價標準可能存在差異， 導致研究結果的可比性和一致性問題。 建立統一的測試和評價標準有助于推動鈣鈦礦太陽能電池的進一步發展
【開拓新的方向: 助力鈣鈦礦太陽能技術應用】
該研究團隊通過精確控制有機銨鹽的添加量和使用不同的退火條件， 成功地實現了對鈣鈦礦薄膜 (111) 晶面的定向調控。 他們不僅為提高鈣鈦礦太陽能電池效率提供了新的解決方案， 同時也為研究者更好地理解鈣鈦礦薄膜的生長過程提供了重要的研究方向。 他們的研究成果將為鈣鈦礦太陽能電池的大規模應用做出更大貢獻。
中國科學院大連化學物理研究所李燦院士團隊在鈣鈦礦太陽能電池研究方面取得了突破性進展。 他們成功地實現了 (111) 晶面主導的鈣鈦礦薄膜的制備， 顯著提升了太陽能電池的效率和穩定性。 這一研究成果為鈣鈦礦太陽能電池的未來發展提供了重要的指導和參考。
重要技術參數：
鈣鈦礦太陽能電池效率: 25.23%
關鍵技術: 添加劑策略控制， 促進 (111) 晶面生長
關鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 和 SS 系列 AM1.5G 太陽光仿真器
參考文獻
Dominating (111) Facets with ordered stacking in Perovskite Films_ Energy Environ. Sci., 2024_ DOI: 10.1039/D4EE01863J
【本研究參數圖】
Fig. S23 基于不同molar ratios鈣鈦礦薄膜器件的J–V曲線：(a) BAI與PbI2和(b) BAAc與PbI2
Fig. S25 顯示了控制組、添加BAI和BAAc后的光電轉換效率（EQE）和積分光電流密度（Jsc）
Fig. S26 控件、添加BAI和添加BAAc的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的Voc對光強度依賴曲線
推薦設備
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文獻參考自 Energy Environ. Sci., 2024_ DOI: 10.1039/D4EE01863J
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