港城市大Alex Jen示范让叠层电池寿命超过1千小时

导读目录

1.          突破单结太阳能电池解析_叠层太阳能电池TSC的发展性

2.          AQS-based添加剂延伸步骤及表征设备

3.          AQS实现WBG单结全无机PSC长期稳定性提升用于钙钛矿/有机叠层太阳能电池P/O TSC

突破单结太阳能电池高PCE:18.59%、VOC近1.3V
叠层太阳能电池TSC >10001000小时的T90寿命

随着能源需求的增长和对可再生能源的关注，太阳能电池技术的发展成为了研究的重点。传统的单结太阳能电池受制于肖克利-奎瑟极限，为了突破这一限制，香港城市大学Alex Jen团队研究人员开始探索叠层太阳能电池（TSC）的设计，将两个或多个具有不同带隙的亚细胞堆栈在一起，以捕获更广泛的光谱范围，从而提高整体的转换效率。

在众多的TSC设计中，钙钛矿/有机叠层太阳能电池（P/O TSC）由于其高效率和潜在的低成本，受到了广泛的关注。这些器件结合了无机钙钛矿材料的高吸收系数和有机材料的可调带隙，使得P/O TSCs能够在有限的空间内捕获更多的太阳光，从而提高功率转换效率（PCE）。

然而，钙钛矿/有机叠层太阳能电池P/O TSCs面临的主要挑战之一是长期稳定性，尤其是在实际运行条件下。光诱导的溴化物分离和热应力是导致这些器件性能衰退的主要原因。为了改善这一问题，本研究开发了两种多功能添加剂，基于9,10-蒽醌-2-磺酸（AQS），以调节全无机钙钛矿的结晶过程，并通过氧化还原穿梭效应抑制溴化物分离，从而提高相位稳定性。这些添加剂还能与具有特定功能基团和偶极矩的有机阳离子结合，有效降低缺陷密度并调整界面能阶排列。

本研究由香港城市大学Alex Jen团队发表于Angewandte Chemie International Edition 八月号 (DIO: 10.1002/anie.202412515)，其研究目的是通过这些多功能添加剂的应用，实现高效率、高稳定性的倒置无机钙钛矿/有机叠层太阳能电池，以推动该技术向实际应用迈进。研究结果表明，使用这些添加剂的单结无机钙钛矿太阳能电池达到了18.59%的高PCE，开路电压接近1.3 V，并且由此制成的叠层太阳能电池在连续运作下展现了超过1000小时的T90寿命，显示了这些添加剂在提高器件稳定性和效率方面的潜力。

图5. (a) 基于无机钙钛矿的P/O TSC的体系结构。 (b) P/O TSC、单结太阳能电池和单结有机太阳能电池的J-V特性。 (c) P/O TSC的EQE曲线。星点代表本研究实现的PCE。 (d) P/O TSC的PCE评估。

AQS-based添加剂延伸步骤及表征设备

透过分析该研究，整理出以下研究人员所采用的研究步骤及其欲达成的研究目的:

1.         研究多功能添加剂的设计与合成

l   材料准备：购买商业化原料，如CsI、PbI2、PbBr2、PbCl2等，并使用AQS-based添加剂进行合成。
研究目的：确保材料的纯度和质量，以供后续制备太阳能电池之用。

l   溶液准备：将NiOx、CbzNaph、i-PVK、CF3-PEAI、PM6、BTP-eC9、PCBM等材料分别制成溶液，并加入特定的溶剂和添加剂，如DIO。
研究目的：制备均匀且适合涂布的溶液，以获得良好的薄膜质量。

l   添加剂的表征与性能评估：

目的：使用热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和其他分析技术来表征添加剂的热稳定性和化学性质，并评估其对钙钛矿薄膜质量的影响。

2.       单结无机钙钛矿太阳能电池（i-PSCs）制备与性能测试：

l   按照特定的结构和步骤，包括ITO/NiOx/CbzNaph/i-PVK/C60/BCP/Ag，来制备i-PSCs。

l   测试其光电转换效率（PCE）、开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）等关键参数
研究目的：制备高效能的i-PSCs，并研究AQS-based添加剂对其性能的影响。

3.       单结有机太阳能电池（OSCs）制备：按照特定的结构和步骤，包括ITO/MoOx/PM6:BTP-eC9/PNDIT-F3N/Ag，来制备OSCs。
研究目的：制备高效能的OSCs，并研究其作为叠层太阳能电池的一部分时的性能。

4.      叠层太阳能电池制备与性能测试：

l   将优化的无机钙钛矿子电池与有机后子电池集成并制备，形成一个完整的叠层太阳能电池结构。

l   测试其整体性能，包括PCE、稳定性和在最大功率点追踪（MPPT）条件下的寿命。
研究目的：制备高效率的叠层太阳能电池，并研究其整体性能和稳定性。

5.      测量和表征：使用1H NMR、13C NMR、XRD、DLS、SEM、XPS、UPS、PL、TRPL、J-V特性和EQE等技术对材料和器件进行表征。
研究目的：深入了解材料和器件的结构、形态、光电特性及性能。

6.      密度泛函理论（DFT）计算：进行DFT计算以理解添加剂与钙钛矿材料之间的相互作用。
研究目的：从理论角度解释添加剂对太阳能电池性能的影响。

7.       在位表征：通过在位光吸收、荧光和光散射等实验，分析聚合物和小分子的成核和结晶过程。
研究目的：实时监测和分析薄膜的形态特性和成长过程。

8.      电化学阻抗谱（EIS）和热容谱（TAS）分析：通过EIS和TAS来研究器件的电化学特性和温度依赖性。
研究目的：评估器件的电荷传输和收集效率，以及热稳定性。

9.      稳定性测试：使用动态MPPT系统在N2气氛中进行稳定性测试，以评估器件的长期稳定性。
研究目的：验证太阳能电池在实际操作条件下的耐久性和可靠性。

上述的各项研究步骤使用多项量测及表征设备，如: X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析仪（TGA）、差示扫描量热仪（DSC）、紫外-可见吸收分光亮度计（UV-Vis）、光致发光谱仪（PL）等。另外，如下方表列:

1. 电化学阻抗谱（EIS）：用于研究器件内部的电子传输和界面特性。

2. 时间分辨光致发光（TRPL）：用于测量载流子的寿命和非辐射复合过程。
        

3. 外量子效率（EQE）测量系统：用于评估太阳能电池对不同波长光的光电转换效率。
        该量测采用光焱科技 QE-R外量子效率量测方案，为单结及多结太阳能电池提供有效精准且高重现性的表征参数，还能通过软件的配合，实现高效的ΔΕ1量测模式。光焱科技的分析软件可将上述设备的数据直接执行导入与导出，有效简化了原本繁琐且需要大量计算验证的研究流程，从而成功获取器件各阶段所需的关键参数，并降低了程序负荷和人为计算错误的风险。

                                                              光焱科技QE-R现场装机示意图

在这项研究中，EQE测量系统帮助研究人员评估了多功能添加剂对无机钙钛矿/有机叠层太阳能电池光电转换效率的影响。通过EQE测量，研究团队能够确定添加剂是否改善了太阳能电池在特定波长范围内的光吸收和电荷转换过程。这对于实现高效率的太阳能电池至关重要。
具体来说，研究结果显示，通过使用这些添加剂，单结无机钙钛矿太阳能电池达到了18.59%的高PCE，并且开路电压接近1.3 V。此外，由此制成的叠层太阳能电池在连续运作下展现了超过1000小时的T90寿命。这些结果表明，添加剂的使用不仅提高了太阳能电池的效率，而且显着提高了其稳定性和寿命，这是太阳能电池商业化应用中非常重要的特性。

图S11。 （a）无添加剂的i-PSCs的EQE曲线和（b）相应的导数曲线，带有AQS：FPMA和带有AQS：FPEA。

1. 傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）：用于分析材料的化学键和官能团。

2. 核磁共振（NMR）：用于确认有机分子的化学结构。

3. X射线光电子能谱（XPS）：用于分析材料表面的化学组成和键结状态。
        

AQS实现WBG单结全无机PSC长期稳定性提升用于钙钛矿/有机叠层太阳能电池P/O TSC

研究团队设计并合成了两种新型多功能添加剂AQS和AQS。AQS单元在形成新的中间相中起着至关重要的作用，通过调节结晶过程降低了高质量全无机钙钛矿的缺陷密度。

此外，在AQS中的高效氧化还原穿梭还增强了这些WBG钙钛矿的相稳定性，从而有助于改善衍生器件的稳定性。将AQS与有机偶极分子FPMA和FPEA集成，进一步实现了对Pb2+的有效钝化和表面能级的调节。结果，在单结全无机PSC中实现了超过18%的高效率和记录性能的Voc约为1.3V，在MPPT条件下具有优异的长期稳定性。更重要的是，WBG无机钙钛矿可以用作构建反向P/O TSC中的前级电池，实现了在MPPT条件下1000小时的T90寿命，超过了大多数已报告的P/O TSC的寿命。

     推荐设备

            QE-R

文献参考自Angewandte Chemie International Edition_DOI：10.1002/anie.202412515

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