全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池与全聚合物太阳能电池改善制程提升效率

近年来， 钙钛矿太阳能电池（PSC）因其高效、 低成本、 易制备等特点， 成为下一代光伏技术。 为了推动钙钛矿太阳能电池的进一步发展， 来自中国香港的科研团队持续发力， 在国际顶尖期刊 Joule 上接连发表两篇重要研究成果。 这两篇研究展现了钙钛矿太阳能电池技术的未来潜力， 并为解决目前面临的挑战提供了新的思路。

【香港城市大学和南昌大学联合团队： 突破性研究 打造高效率、 稳定、 全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池】

第一项研究成果发表在 2024 年 7 月的 Joule 期刊上， 由香港理工大学 Alex K.-Y. Jen 教授和南昌大学姚凯 教授共同领导。 他们提出了一种全新的应力控制策略， 在全纹理硅芯片上构建了垂直异质结构 (SHS) 的钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池， 该器件在工业规模的全纹理晶硅片上展现出令人瞩目的效率。

Alex K.-Y. Jen 教授， 是香港城市大学材料科学学院教授， 他是化学与材料领域的科学家之一。 他的团队长期致力于新型有机电子材料的设计合成以及功能器件研究， 发表过大量的论文。同时，也是光焱科技的长期合作伙伴， 积极利用光焱科技先进的量测设备， 推动科研工作。

他们的研究表明:

l 在全纹理硅芯片上制备高质量的钙钛矿薄膜， 一直以来是科研人员面临的重大挑战之一。

全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池在研究和应用中可能会遇到以下主要瓶颈:

1. 材料稳定性

钙钛矿材料的长期稳定性仍然是一个重大挑战。钙钛矿材料对环境条件（如湿度、氧气和光照）非常敏感，容易发生降解。这会导致电池效率的快速下降，影响其实际应用。

2. 界面工程

在叠层结构中，钙钛矿和晶硅之间的界面非常关键。界面处的缺陷、界面应力以及能级匹配等问题都会影响载流子的传输效率。解决这些问题需要精细的界面工程，但这也是一个复杂且具有挑战性的研究领域。

3. 制备工艺

叠层太阳能电池的制备工艺相对复杂，需要多层材料的精确控制和叠加。确保每一层材料的质量和均匀性，避免在制造过程中产生缺陷，这是实现高效叠层电池的关键。

4. 规模化生产

实验室环境下可以实现高效的全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池，但如何将这种高效能转化为大规模生产仍然面临许多技术和经济上的挑战。需要开发稳定、高效、低成本的制造工艺。

5. 环境兼容性

钙钛矿材料中通常含有铅，这对环境和健康具有潜在危害。如何开发无铅或低铅的钙钛矿材料，同时保证电池的高效性，是当前研究的重要方向。

6. 寿命和可靠性

虽然钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池在实验室条件下可以表现出高效率，但其长期使用寿命和可靠性尚未得到充分验证。在实际应用中，电池需要在各种环境条件下保持稳定的性能，这对其寿命和可靠性提出了更高的要求。

7. 成本控制

尽管钙钛矿材料的成本相对较低，但叠层结构的复杂性和制造工艺的精细控制增加了整体生产成本。如何在保证高效能的前提下降低生产成本，是推动其商业化应用的关键。

l 由于结构复杂， 传统的工艺难以在全纹理硅芯片上形成均匀的钙钛矿薄膜， 并且可能造成严重的应力问题， 影响电池性能。

l 团队提出的应力控制策略， 利用真空蒸镀方法在埋入界面构建垂直 3D/3D 应力异质结 (SHS)。

通过调控埋入缓冲层钙钛矿材料的成分， 可以有效控制钙钛矿薄膜的应力， 并促进晶体的生长。

l 此外， 应力控制还能有效降低界面复合损失， 并提高内置电势。

这项突破性的成果， 使得全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池的认证效率达到 31.5%， 并成功地将电池的稳定性提升到了 800 小时的持续运行。

【香港科技大学、 香港城市大学和北卡罗来纳州立大学联合团队：聚合物受体分子设计策略 提高全聚合物太阳能电池效率】

第二项研究成果同样发表在 2024 年 7 月的 Joule 期刊上， 由香港科技大学颜河 教授、 香港城市大学朱宗龙 教授以及北卡罗来纳州立大学Harald Ade 教授共同领导。 他们针对当前有机太阳能电池的瓶颈问题 - 效率偏低以及稳定性不足 - 提出了一种全新的聚合物受体分子设计策略:

颜河 教授是香港科技大学化学系教授， 长期致力于有机电子材料和器件研究， 在国际顶尖期刊发表大量学术成果， 是该领域的著名学者之一。

朱宗龙 教授是香港城市大学化学系教授， 他的研究团队一直致力于开发新型有机光伏材料， 并探索更高效的太阳能电池制备技术。

Harald Ade 教授是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系的教授。 他带领的团队是全球纳米尺度材料表征研究领域之一， 专注于新型先进材料的设计和开发。

他们的研究表明:

l 传统聚合物受体分子通常使用 "端-端" 连接模式进行聚合。 这种设计方式会导致分子之间的空间位阻， 降低了分子的堆积和有序度， 进而影响了材料的载流子传输效率和器件性能。

使得效率提升的研究上面临以下主要瓶颈：

1. 材料性能

光吸收效率： 聚合物材料的光吸收范围和能力相对有限，导致光电转换效率较低。开发具有更宽光谱吸收范围和更高吸光系数的聚合物材料是提高效率的关键。

电荷载流子迁移率： 聚合物材料的电荷载流子迁移率普遍较低，影响了光生载流子的有效分离和传输，导致电池的内部量子效率降低。

2. 能级匹配

供体和受体材料的能级匹配： 聚合物太阳能电池的效率高度依赖于供体和受体材料之间的能级匹配。能级匹配不当会导致电荷分离效率低下和复合损失增加。找到理想的供体和受体组合，优化能级匹配，是提升效率的重要途径。

3. 界面工程

相分离和形貌控制： 在全聚合物太阳能电池中，供体和受体材料的相分离和形貌对电池性能有重要影响。需要在纳米尺度上控制相分离和形貌，以优化电荷分离和传输路径，这一过程非常复杂且难以精确控制。

界面改性： 聚合物和电极之间的界面需要进行改性，以降低界面电阻和抑制电荷复合。合适的界面层材料和界面改性方法的开发是提高电池效率的关键。

4. 制备工艺

溶液加工方法： 全聚合物太阳能电池通常采用溶液加工方法，但这一方法容易引入缺陷和不均匀性，影响电池性能。如何在溶液加工过程中保持材料的均匀性和结构的稳定性是一个重要挑战。

薄膜质量： 制备高质量的薄膜是提高电池效率的前提。薄膜中的缺陷、粗糙度和结晶度都会影响电荷的传输和复合。

5. 环境稳定性

聚合物材料的稳定性相对较差，容易受到环境因素（如氧气、湿度、光照等）的影响而降解。材料的降解不仅会降低电池效率，还会影响其使用寿命。提高聚合物材料的环境稳定性，是实现高效且持久的全聚合物太阳能电池的必要条件。

6. 电子和空穴传输层

优化传输层材料： 电子和空穴传输层在全聚合物太阳能电池中起着至关重要的作用。传输层材料的选择和优化对电池的开路电压、短路电流和填充因子都有显着影响。

7. 成本与可制造性

尽管聚合物太阳能电池的材料成本较低，但制备高性能电池所需的精细控制和优化过程增加了制造成本。开发低成本、易于大规模生产的制备工艺，是推动其商业化应用的关键。

l 该团队通过引入一种全新的 "核-核" 连接模式， 将 Y 系列单体分子连接成一个特殊的 "双层楼" 结构， 使不同单体单元在同一聚合物中形成分子内堆积， 有效提升了分子排列的紧密度， 并促进了电荷的离域化和传输。

该团队利用这种新颖的策略成功合成了一种新的聚合物受体材料， 并将该材料应用于三元全聚合物太阳能电池， 最终实现了 18.7% 的高效率， 展现出优异的性能。

全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池与全聚合物太阳能电池的对比分析：

i. 应用领域:

全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池:

²   大规模发电： 由于其高效能和良好的稳定性，这种太阳能电池常用于大规模太阳能发电厂。

²   建筑集成光伏（BIPV）： 因为可以在现有建筑物表面集成，所以适用于高层建筑、屋顶等场景。

²   智能电网： 配合储能系统使用，为智能电网提供稳定的电力输出。

全聚合物太阳能电池:

²   柔性电子产品： 由于其轻便、柔性好，常用于可穿戴设备和便携式电子产品。

²   建筑涂层： 可以作为建筑涂层材料应用，利用阳光进行能量转换。

²   环境传感器： 由于其制造成本低，可用于大规模分布式传感网络中，为环境监测提供电源。

ii. 差异性

n   材料组成:

全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池: 采用钙钛矿材料和晶硅材料的结合，利用两种材料的不同带隙，实现更高的光电转换效率。

全聚合物太阳能电池: 由有机聚合物材料制成，通常具有较低的光电转换效率。

n   制造工艺:

全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池: 制造工艺相对复杂，需要精密的材料处理和层叠技术。

全聚合物太阳能电池: 制造工艺相对简单，通常可以通过溶液加工方法进行大规模生产。

n   效率和稳定性:

全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池: 具有较高的光电转换效率和稳定性。

全聚合物太阳能电池: 效率较低，稳定性也相对较差，但在某些应用场景中，其灵活性和低成本具有优势。

iii. 共通性:

n   环保性: 两者都属于绿色能源技术，能够减少对化石燃料的依赖，减少碳排放。

n   应用广泛: 都可以用于多种应用场景，虽然重点应用领域不同， 但在某些特定条件下可以互为补充。

n   技术发展: 都是当前太阳能电池技术发展的重要方向， 具有广阔的研究和应用前景。

重要技术参数：

第一篇论文:

全纹理钙钛矿/硅串联太阳能电池效率: > 31.5%

第二篇论文:

三元全聚合物太阳能电池效率: > 18.7%

参考文献

Strained heterojunction enables high-performance, fully textured perovskite/silicon tandem solar cells _Joule.15th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015

A polymer acceptor with double-decker configuration enhances molecular packing for high-performance all-polymer solar cells

Joule.9th  July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.010

【本研究参数图】

以上为Strained heterojunction enables high-performance, fully textured perovskite/silicon tandem solar cells相关参数图

Fig 2. 紫外可见吸收光谱/荧光发射光谱、电化学能级以及分子模拟结果

Fig3. 结晶性与相分离表征结果（GIWAXS and RSoXS）以及分子动力学模拟堆积结果

以上为A polymer acceptor with double-decker configuration enhances molecular packing for high-performance all-polymer solar cells相关参数图

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文献参考自Joule.15th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015 & Joule.9th  July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.010

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