柯维俊团队使用氧氨基酸钾盐 锡铅钙钛矿电池效率突破22%

武汉大学 物理科学与技术学院柯维俊团队最新发表研究，这项研究的主要成就包括：

1. 效率提升：通过使用氧氨基酸钾盐（OAPS）作为添加剂，研究人员成功提高了锡铅混合窄带隙钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE），达到了22.04%。

2. 稳定性改善：OAPS的引入显著改善了钙钛矿薄膜的稳定性，未封装的设备在氮气环境中储存3072小时后仍保持了91%的初始PCE。

3. 全钙钛矿串联太阳能电池（TSCs）的性能：研究还展示了OAPS在全钙钛矿串联太阳能电池中的应用，其中两端和四端的配置分别达到了27.17%和28.31%的效率。

4. 简便的方法：OAPS的引入提供了一种简便的方法来优化钙钛矿太阳能电池的性能，有助于推动该技术的商业化和实际应用。

其中观点包含：
1.创新的添加剂：OAPS作为一种新型的多功能添加剂，其在钙钛矿太阳能电池中的应用是一个创新的研究方向。

2.解决锡离子氧化问题：研究提出了一种有效方法来解决锡离子的氧化问题，这是锡铅混合钙钛矿太阳能电池中的一个主要挑战。

3.实验结果：研究提供了有力的实验数据，证明了OAPS在提高效率和稳定性方面的有效性，对钙钛矿太阳能电池的发展具有重要意义。

4.潜在的商业应用：由于OAPS能够显著提升钙钛矿太阳能电池的性能，这项研究对寻求提高太阳能电池效率和稳定性的商业应用具有吸引力。

在这项研究之前，锡铅混合钙钛矿太阳能电池（PSCs）发展的主要难题是锡离子的氧化问题。锡的二价态（Sn2+）容易自发氧化成四价态（Sn4+），这会导致电池效率下降，因为Sn4+杂质会损害钙钛矿薄膜的质量。此外，这种氧化过程还会影响电池的稳定性和寿命。因此，如何有效抑制Sn2+的氧化并去除Sn4+杂质，是提高锡铅混合钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的关键挑战。

这项研究通过引入一种称为氧氨基酸钾盐（OAPS）的多功能添加剂来解决锡离子氧化的问题。OAPS能够有效捕捉四价锡（Sn4+）杂质，从而抑制二价锡（Sn2+）的氧化过程。该添加剂通过其功能性氨基酸基团与Sn4+杂质发生强相互作用，减少缺陷，改善钙钛矿薄膜的质量，并提高锡铅混合钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。通过这种方法，研究人员成功提高了锡铅混合窄带隙钙钛矿太阳能电池的功率转换效率，并改善了其在氮气环境中的储存稳定性。

c. EQE曲线：外量子效率（EQE）曲线显示目标样品在光谱范围内的光电转换效率高于对照样品。

这项研究提出了一种称为氧氨基酸钾盐（OAPS）的多功能添加剂，用于解决锡铅混合钙钛矿太阳能电池中锡离子的氧化问题。在实验过程中，研究人员采取了以下步骤：

1. 合成Sn-Pb混合NBG钙钛矿薄膜：研究人员合成了成分为FA0.7MA0.3Pb0.5Sn0.5I3的锡铅混合窄带隙钙钛矿薄膜，作为光吸收层。

2. OAPS的引入：在钙钛矿前驱体溶液中加入OAPS，以捕捉Sn4+杂质并抑制Sn2+的氧化。

3. 薄膜的制备和表征：制备了含OAPS和不含OAPS的钙钛矿薄膜，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术对薄膜进行表征，以评估OAPS的效果。

4. 器件的制备和性能评估：制备了含OAPS和不含OAPS的单结锡铅PSCs，并评估了它们的性能，包括功率转换效率（PCE）和稳定性。

5. 优化OAPS的浓度：为了确定OAPS在锡铅钙钛矿器件中的最佳浓度，研究人员制备了多个单结锡铅PSCs，并评估了它们在不同OAPS浓度下的性能。

6. 全钙钛矿串联太阳能电池的制备和性能评估：使用含OAPS的锡铅窄带隙PSCs作为子电池，制备了全钙钛矿串联太阳能电池，并评估了其性能。

这些步骤展示了研究人员如何系统地引入和评估OAPS在锡铅混合钙钛矿太阳能电池中的效果，从而提高其效率和稳定性。


研究团队通过一系列表征技术来佐证他们的成果，这些技术包括：

1. 扫描电子显微镜（SEM）：用于观察钙钛矿薄膜的表面形态和结构，以评估OAPS对薄膜质量的影响。

2. X射线光电子能谱（XPS）：用于分析薄膜的化学组成和元素的化学态，特别是锡离子的价态，以证明OAPS对抑制Sn2+氧化的效果。

3. 紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）：用于测量薄膜的光吸收特性，以评估OAPS对薄膜光学性质的影响。

4. 光致发光（PL）光谱：用于研究薄膜的激发和发光特性，了解OAPS对薄膜缺陷密度的影响。

5. 时间分辨光致发光（TRPL）：用于测量激发态载流子的寿命，进一步了解OAPS对薄膜质量的影响。

6. X射线衍射（XRD）：用于分析薄膜的晶体结构和对应的晶体质量。

7. 电流-电压（J-V）测量：用于评估太阳能电池的性能参数，如开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率转换效率（PCE）。

8. 热稳定性和光稳定性测试：用于评估含OAPS的钙钛矿太阳能电池在不同环境条件下的稳定性。

这些表征技术帮助研究团队全面理解OAPS在锡铅混合钙钛矿太阳能电池中的作用机制，并证实了OAPS对提高电池效率和稳定性的有效性。

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这图显示了D18:2BO_ARC有机太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线。图中提供了以下关键性能参数：

• 开路电压（VOC）= 0.938 V

• 短路电流密度（JSC）= 26.8      mA/cm2

• 填充因子（FF）= 75.6%

• 光电转换效率（PCE）= 19.1%

这些数据通常是使用Enlitech的SS-X50太阳模拟器进行测量的，用于评估太阳能电池的性能。

这张图（Figure S11）显示了两种有机太阳能电池材料（D18和D18:2BO）的外部量子效率（EQE）光谱。图中展示了在不同波长下的EQE百分比，并标示了最大吸收波长（λmax）。这些数据通常是使用Enlitech的QE-R太阳能电池光谱响应测量系统获得的，用于分析材料的光电转换效率和能隙。

这张图（Figure S12）显示了D18和D18:2BO在低光子能量区域的外部量子效率（EQEFTPS）光谱。图中展示了不同能量下的EQE百分比，并标示了两种材料的能隙尾（Eu），分别为0.039 eV和0.036 eV。此数据通常是使用Enlitech的光谱响应测量系统获得的，用于分析材料的光电特性和能隙尾。

2端子全钙钛矿串联太阳能电池（TSC）的研究结果：

a. 装置结构：显示了2端子全钙钛矿TSC的层状结构，包括NBG和WBG钙钛矿层。

b. 横截面SEM图像：展示了电池的横截面结构，显示各层的厚度和排列。

c. J-V曲线：显示了正向和反向扫描的电流密度-电压特性，表现出良好的一致性。

d. EQE曲线：显示了WBG和NBG子电池的外量子效率（EQE），分别为15.99和15.28 mA/cm2。

e. 稳态功率输出：2端子串联太阳能电池的稳态PCE为27.1%。

这些结果证明了2端子全钙钛矿TSC的高效率和稳定性。

研究成果的结论如下：

1. 效率提升：通过在锡铅混合窄带隙钙钛矿太阳能电池中引入氧氨基酸钾盐（OAPS），研究人员成功提高了功率

2. 稳定性改善：OAPS的添加显著提高了钙钛矿薄膜的稳定性，未经封装的设备在氮气环境中存储3072小时后，仍保持了91%的初始PCE。

3. 全钙钛矿串联太阳能电池的性能：研究还展示了OAPS在全钙钛矿串联太阳能电池中的应用，其中双端子和四端子配置的效率分别达到了27.17%和28.31%。

4. 简便的方法：OAPS的引入提供了一种简便有效的方法来优化钙钛矿太阳能电池的性能，有助于推动该技术的商业化和实际应用。

5. 科学严谨性：研究团队通过实验的重复性、多种表征技术、对照实验、数据共享、同行评审和公开发表等方式，确保了研究的科学严谨性和可重复性。

总之，该研究提供了一种有效方法，解决了锡铅混合钙钛矿太阳能电池中的锡离子氧化问题，并通过OAPS的添加显著提高了电池的效率和稳定性。

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文献参考自ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS_DOI: 10.1002/adfm.202412458

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