钙钛矿开路电压推至理论极限的95%，25.11%的高转换效率

华中科技大学王鸣魁团队于 Advanced Energy Materials 第30期发表了一项创新的方法，通过使用具有推拉电子结构配置的π共轭分子来调节埋藏界面，从而提高三阳离子钙钛矿太阳能电池的开路电压（Voc）。研究人员在钙钛矿太阳能电池中使用了氧化锡纳米晶作为电子传输层，并发现新型化学材料能够显著降低界面能障并钝化埋藏界面的缺陷。这种方法将Cs0.05(FA 0.85 MA0.15)0.95Pb(I 0.85 Br 0.15)3（带隙约为1.60 eV）钙钛矿太阳能电池的开路电压提高到1.241 V，并且在标准测试条件下的转换效率达到24.16%。当使用Cs 0.05 MA0.05 FA0.9 PbI 3（带隙约为1.54 eV）钙钛矿太阳能电池时，甚至可以达到更高的效率25.11%。这个开路电压是三阳离子钙钛矿太阳能电池中最高的，达到了肖克利-奎瑟极限的95%。此外，研究人员还制作了能量转换装置，通过将两个钙钛矿微模块串联起来驱动二氧化碳电解槽，实现了11.76%的太阳能到CO的转换效率，这在整合钙钛矿光伏进行太阳能驱动的CO2转换方面树立了一个新的基准。

导读目录

1.          引言

2.          研究动机与研究手法

3.          研究成果解析与表征设备运用

研究动机与研究手法

本研究主要想要解决钙钛矿太阳能电池研究中会遇到的瓶颈

1.      开路电压（Voc）的损失：旨在减少开路电压的损失，这是提高太阳能电池性能的关键。开路电压（Voc）的损失：研究旨在减少开路电压的损失，这是提高太阳能电池性能的关键。

2.      功率转换效率（PCE）：研究目标是提升钙钛矿太阳能电池的功率转换效率。

3.      界面缺陷：针对埋藏界面处的缺陷进行改善，缺陷会导致非辐射复合损失。

4.      电荷转移效率：旨在提高电荷转移效率，从而降低界面非辐射载流子复合。

5.      稳定性问题：寻求解决太阳能电池的长期稳定性问题。

6.      CO2转换效率：研究旨在提高太阳能到CO的转换效率，这是太阳能电池在再生能源应用中的一个重要方面。

研究团队针对上述的缺陷观察后，进行了多种的研究程序进行优化调整包含材料的准备，

1. 界面修饰：制备SnO2-KCl溶液和钙钛矿前驱体溶液，并进行界面修饰。

2. 太阳能电池制备：清洁ITO玻璃，沉积SnO2层，旋涂钙钛矿前驱体溶液，并进行退火处理。

3. 电池组装：旋涂BAI溶液和Spiro-OMeTAD作为HTL，沉积P3HT层，以及使用热蒸发法沉积金电极。

4. 电池J-V特性和IPCE性能测量，以评估太阳能电池的性能。另进行表面形态和组成分析。

5. PL和TRPL光学和电学特性分析，及UPS和XPS分析。

6. 测量PLQY和EQEEL量子效率。
        

7. 电化学阻抗谱分析和电化学工作站测量。

8. 缺陷形成能DFT的计算。

9. 对测量数据进行分析，并与其他研究进行性能比较。

研究成果解析与表征设备运用

本研究团队开发了一种调节埋藏界面的方法，使用具有推拉电子结构配置的π共轭分子，特别是C3F7-MA，来钝化缺陷并降低界面能障。
进而实现了高达1.241 V的开路电压（Voc），这是三阳离子钙钛矿太阳能电池中报告的最高Voc之一。

另外，在标准测试条件下，达到了24.16%的功率转换效率（PCE）。
经封装的PSC在连续1太阳照射1000小时后，在MPP跟踪条件下在50-55°C下保持了94.5%的初始PCE，显示出运行稳定性。当用作CO2还原的电源时，实现了11.76%的太阳能到CO的转换效率。

研究过程中使用了大量的表征设备来进行量测，以利后续的数据分析及改善优化，方能达成上述的研究成果，如: X射线光电子能谱（XPS）分析材料表面的化学组成和电子结构，特别是研究中提到的Pb4f、I3d、Sn3d、F1s和N1s的能谱; 紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）、时间分辨光致发光谱（TRPL）、光致发光量子产率（PLQY）、凯尔文探针力显微镜（KPFM）等。

其中，研究团队采用光焱科技Enlitech钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统(REPS, 又称ELCT-3010) 藉以达成了本研究中最关键性的一个突破记录 “ 开路电压（Voc）"的量测。

光焱科技Enlitech REPS 不仅可以检测极低的 EL-EQE 信号（低至 10-6%，即 8 个数量级），还可以计算热力学 Voc、辐射复合 Voc 和非辐射复合 Voc（通过其软件 SQ-VLA）。此外，它还可以在一个柱状图中分析不同类型设备之间的 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3 损耗。最重要的是，分析软件可以帮助用户将计算出的 Voc-loss 与设备 IV 曲线的真实 Voc-loss 进行匹配，从而促进研究进展和期刊发表。

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文献参考自Advanced Energy Materials 06 August 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402469

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