钙钛矿结构材料

近日，由中科院院士杨德仁团队、浙江大学王勇 及苏州大学宁为华 共同發表于Nature Communications 2024年第15期一突破性研究为高效钙钛矿太阳能电池的发展开辟了新路径。研究人员成功开发出一种新型无定形(赖氨酸)2PbI2钝化层，通过固相反应在钙钛矿薄膜表面和晶界处形成。这种无定形结构具有更少的悬挂键，能有效中和表面/界面缺陷，显着提高了电池效率。与传统的晶态钝化材料相比，这种新型无定形层不仅降低了晶格应力，还作为屏障阻止有机成分的分解，抑制了钙钛矿的结构破坏，大幅提升了太阳能电池的稳定性。研究团队报告称，采用这种技术的钙钛矿太阳能电池效率高达26.27%（经认证为25.94%）。

本文介绍了光电子能谱技术，包括X射线光电子能谱技术（XPS）与紫外光电子能谱技术（UPS）在钙钛矿太阳能电池材料检测方面的应用，并对比了XPS、UPS（He I和He II两种紫外光源）的价带（VB）结构测试结果，供相关工作者参考。

在光电领域，量子产率（PLQY）是一项至关重要的参数。对于那些对此领域充满热情和挑战的研究者来说，选择一款可靠、精细、易于操作的光致发光量子产率量测系统就显得至关重要。光焱科技Enlitech研发的LQ-100X-PL就是为满足这些需求而生，LQ-100X-PL适用的研究领域广泛，包括荧光粉、LED荧光材料、OLED荧光材料、钙钛矿、雷射染料、钙钛矿量子点粉末与单晶、PbS量子点等。

反式钙钛矿太阳能电池（PSCs）其（p-i-n结构）是一种特殊结构的钙钛矿太阳能电池，其结构通常包含以下几层：基底：通常为导电玻璃，如FTO或ITO 电子传输层（ETL），常用材料如二氧化钛（TiO2）或PCBM，作用是传输电子 钙钛矿活性层，光吸收和电子-空穴对生成的主要区域，通过优化钙钛矿材料，可以提高电池的效率 空穴传输层（HTL） 及顶电极：通常为金属，如金或银，用于收集电流。因其低滞后效应、成本效益和适合串联应用等优势而备受关注。然而，钙钛矿材料的溶液制备过程和较低的形成能使得在钙钛矿层体相和界面处不可避免地形成大量缺陷。这些缺陷会作为非辐射复合中心，严重阻碍载流子传输，对器件的稳定性和功率转换效率（PCE）提升构成巨大障碍。本文将深入探讨缺陷的本质和起源，以及缺陷识别技术，并系统总结反式 PSCs 中钙钛矿薄膜界面和体相缺陷的检测方法和钝化策略，最后展望缺陷钝化工程在钙钛矿模块化制备中的应用前景。

钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 凭借其高效率、低成本和可印刷性等优势，成为最有希望取代传统硅基太阳能电池的下一代光伏技术。然而，PSCs 在实际户外应用中面临着紫外线 (UV) 辐射带来的严峻挑战。为了解决这一问题，美国北卡罗来纳大学教堂山分校的 Jinsong Huang 教授团队在 Science 期刊发表了最新研究成果，他们通过开发一种新型的强键合空穴传输层 (HTL) 材料，有效地抑制了 钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的紫外线降解，并显著提高了器件的长期稳定性。

卤化物钙钛矿已成为下一代光电应用(如太阳能电池和发光二极管)的特殊候选者。钙钛矿薄膜在微观和纳米尺度上具有非均质性。对纳米尺度的理解是开发和改进这些新型材料的基础。CL允许在高空间分辨率下探测材料的特性。然而，这些软半导体对电子束损伤非常敏感，这主要阻碍了CL的使用。

钙钛矿太阳能电池（PSC） 凭借其高效率和低成本的优势， 被认为是下一代光伏技术的主力军。 但是， 钙钛矿材料本身的稳定性和可控性问题， 是限制其大规模应用的关键因素。 近年来， 科学家们一直致力于开发更稳定高效的钙钛矿太阳能电池， 并在材料、 结构、 制备工艺等方面取得了显着的进展。近期， 香港科技大学周圆圆教授团队 在Nature Energy 期刊发表了重磅研究成果。 他们的研究揭示了钙钛矿薄膜单个晶粒表面的微观特征， 并提出了一种全新的 “微表面工程" 策略， 以提升钙钛矿太阳能电池的性能。

自2009年有机无机钙钛矿被报道应用于太阳能领域以来，不断挖掘出的优异性能使得钙钛矿在诸多领域成为明星材料，如太阳能电池，电致发光器件，激光等等。

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。

在绿色能源的发展得到各国越来越多的重视与青睐的今天，光伏科技和太阳能电池的产业成长与技术研发成为了工业界和学术界共同的焦点。而这其中被广泛关注的当属使用具有钙钛矿结构的材料所合成的太阳能电池。钙钛矿结构是具有通式ABX3结构的一类化合物，除了CaTiO3外，还有BiFeO3、CsPbI3也具有这一结构。基于钙钛矿结构材料所合成的电池则一般被统称为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PVSCs）。在光伏领域的研究中，钙钛矿太阳能电池因其能量转化率在近几年的飞速提高而备受关注。其中的佼佼者更是可以达到25%的能量转化率。 然而，在我们期待上述的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池从实验室走向工业应用的时候，一个无法回避的问题出现在了研究者的面前：这种电池的环境敏感性非常之高。在电池的使用过程中，其性能稳定性和使用寿命很容易被环境湿度，环境热度，环境光照所影响，且这种影响多为负面影响。也就是说，要想让PVSCs能够被大规模应用，其环境耐性必须得到改进。 针对上述问题，香港城市大学Fengzhu Li于今年（2022年）4月在Advance Energy Materials中发表了等离激元局域光热现象调控钙钛矿太阳能电池应力以提升效率和稳定性的研究工作。该课题组发现二氧化硅包覆的金纳米管（GNR@SiO2）可有效提高钙钛矿太阳能电池的性能，尤其通过减小材料生成过程中所产生的残留应变，在维持电池高效转化率（23%）的前提下，大幅提高了电池的工作稳定性。这种GNR@SiO2有着8.2 nm的平均直径和40 nm的平均长度。其中的二氧化硅外壳结构的厚度在15 nm左右。

二维钙钛矿材料因其优异的稳定性、结构多样性和可调谐带隙，在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域展现出巨大的应用潜力。然而，与三维钙钛矿相比，二维钙钛矿的电荷传输效率较低，成为制约其性能提升的关键因素。 美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的 Bryon W. Larson 和天津大学的 Fei Zhang 团队，在二维钙钛矿的电荷传输研究方面取得重大突破。他们发表在**《先进材料》(Advanced Materials)** 上的研究论文，对影响二维钙钛矿电荷传输的关键因素进行了深入分析，并提出了多种提高电荷传输效率的策略。

文通过电热恒温水槽对钙钛矿量子点进行热致发光实验，探究了其在受热后释放光的特性，以期了解材料的热历史和稳定性。实验结果表明，通过表面钝化策略可以有效提高钙钛矿量子点的抗热淬灭性能。

钙钛矿太阳能电池作为第三代新概念太阳能电池代表，近年来备受关注，这得益于其具备的种种优势，譬如：它采用溶剂工艺，可以在常温下制备，生产成本大大下降；柔性好、可大面积印刷，在光伏产业的应用有着为可观的前景；清洁廉价无限制，可为能源供应难题提供有效方案等等。

“通常使用传统溶液两步法制备钙钛矿时，一些辅助结晶的添加剂或者界面的钝化材料都是通过溶液添加的方式在第一步 PbI₂ 沉积或者第二步有机盐涂覆的过程中引入的，但对于我们开发的保形蒸发-溶液两步法来说，难以像溶液法一样在第一步引入添加剂与 PbI₂ 等配位来调控钙钛矿的结晶质量，因此我们提出的这种多源蒸发加退火策略，创新性的实现了无机框架组分的改性，在不需要溶液辅助的情况下也实现了钙钛矿的结晶调控，促进了钙钛矿的转化，提升了电池性能。” 罗皓文表示。罗皓文师从南京大学谭海仁教授，上述研究已经发表在《ACS Energy Letters》上。

钙钛矿材料因具备较长的电子-空穴扩散长度、较大的光学吸收系数、较强的激子跃迁及可低温制备等诸多优点, 成为了光伏太阳能领域的研究热点。以钙钛矿材料作为光活性层的太阳能电池器件, 由于其简单的加工工艺和出色的能量转换效率，更是引起了广泛的研究兴趣。自2009年首次报道以来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSCs）的效率已超过25 %，成为极具潜力的光伏器件之一。然而， PSCs 在多种环境条件下服役的稳定性仍未达到商业化使用标准，PSCs性能的提升及其应用推广仍然面临极大的挑战。

研究人员先采用低温溶液法，制备出无铅金属卤化物Cs3Cu2I5薄膜，发现该无铅钙钛矿膜具有良好的结晶质量，对紫外光也有良好的吸收 。

“碳达峰”和“碳中和”一直都是能源领域的热点话题，作为助力“双碳”战略的生力军，光伏产业具有举足轻重的地位。目前光伏的主力是硅太阳能电池，它们具有效率高、稳定性好、产业链完备、使用寿命长的优势。然而，晶硅电池的转换效率到达瓶颈，且从硅料到组件至少经过4 道工序，单位制程需要3 天以上，同时还需要大量人力、运输成本等。为了让太阳能的利用更加便捷、高效且廉价，科学界和工业界正在研制新型太阳能电池；钙钛矿太阳能电池就是备受关注的后起之秀，钙钛矿叠层效率极限可达50%，而钙钛矿组件在单一工厂完成生产，原材料经过加工后直接成组件，没有传统的“电池片”工序，大大缩短制程耗时。但是，如何制备大面积且能保持较高效率的钙钛矿太阳能电池，依然是难题，也成了制约其产业化应用的瓶颈。原速ALD在钙钛矿电子传输层、空穴传输层、钝化层、封装阻水层等领域已取得了突破性进展，获得了业界的认可。为了更高效地服务于世界光伏产业高地，原速也在上海建立了技术研发中心。截止目前，公司已形成服务于钙钛矿电池研发、中试、100MW、 GW级量产的产线ALD技术解决方案。

钙钛矿型太阳能电池在蓝绿光波段都有较好的吸收，材料带隙主要集中在1.6eV附近，搭配蓝光激光器作为PL激发源即可轻松实现稳态PL采集。

钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池，是《科学》杂志评选的2013年度十大科技突破之一，是一种有望进一步降低光伏发电价格的新型光伏体系。目前钙钛矿太阳电池发展现状良好，但仍有若干关键因素可能制约钙钛矿太阳电池的发展，其中最关键问题之一是电池的稳定性问题。

有机-无机混合钙钛矿太阳能电池（PVSCs）效率自2009年3.8%提升至认证PCE 26.15%，展现竞争潜力。然而，溶液处理材料不稳定性阻碍商业化。溶液老化影响钙钛矿层性质及PVSCs性能，故开发稳定前驱溶液至关重要。南昌大学陈义昌团队于Angewandte发表的研究(DOI: 10.1002/anie.202411708)中，探讨提升钙钛矿太阳能电池（PVSCs）前驱溶液稳定性的创新方法。其中提出虽然有多种延长保质期策略，研究团队发现两步法前驱溶液老化更显着，因异丙醇更易引发副反应，针对两步法前驱溶液的调控尤为重要，此研究为两步法钙钛矿前驱溶液稳定化提供重要理论基础和实际指导研究团队提出创新方法：在有机胺盐溶液中添加苯-1,3-二硫醇（BDT），在PbI2前驱溶液中引入十甲基二茂铁（FcMe10/ FcMe10+）对。BDT抑制胺-阳离子副反应和碘离子氧化，FcMe10/ FcMe10+对循环氧化Pb0和还原I2。结果显示，改良后的PVSCs器件达25.31%的功率转换效率（PCE），21天后仍保持95%效率，未封装器件1500小时后维持85%初始效率。

有机太阳能电池（OSCs）的发展已见成效，采用非富勒烯受体（NFAs）的小分子材料，使其能量转换效率（PCE）超过了19%。然而，有机材料在吸收光谱上存在局限，尤其是NIR和NUV区域的吸收不佳。为了提升光吸收能力，研究人员提出了低带隙NFAs和多组分策略，虽然提高了JSC，但在单一结OSCs中无法最小化高能量光子的能量损失。串联太阳能电池（TSCs）结合了宽带隙（WBG）和低带隙（LBG）半导体，可以扩展吸收光谱，减少能量损失，从而提升光伏性能。研究人员探索了2T和4T两种结构，其中2T架构因其较低的寄生吸收和易于模块整合而受到青睐。然而，高性能WBG有机材料的开发相对落后，而全无机钙钛矿（如CsPbI2Br）因其可调的宽带隙和热稳定性，成为前子电池的理想材料。南方科技大學 Aung Ko Ko KYAW 團隊於Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202200445 )中發表，使用CsPbI2Br作为前子电池的吸收层，通过ZnO/SnO2双层电子传输材料提高了电子提取效率和Voc。同时，采用窄带隙PM6体异质结（BHJ）膜作为后电池吸收层，以扩展吸收至900nm以上。透过热退火（TA）-自由制程改善了后子电池的性能，降低了界面电阻，抑制了非辐射复合，从而提高了Voc。最终，单片式2T-TSCs达到了20.6%的PCE和2.116V的Voc，创下了基于钙钛矿/有机吸收层太阳能电池的新纪录，并超越了单一结和叠层有机太阳能电池的最高报告PCE。这表明，结合WBG全无机钙钛矿的叠层策略是有效且创新的，能够充分利用太阳光谱，提升OSCs的效率。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）自2009年报导以来，由于其高效能、低成本和简单制备工艺迅速引起了学术界和工业界的广泛关注。其核心材料钙钛矿具有优异的光电特性，如高吸光係数、长载流子扩散长度和高载流子迁移率，使其成为下一代光伏技术的潜力选手。在过去十年间引发了广泛的研究热潮，并被认为是最有潜力替代传统硅太阳能电池的下一代光伏技术之一。 近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs） 的效率不断提升，并在 NREL 的效率认证数据中屡创新高。叠层结构的出现自2017开始，在過去三年中，钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的效率取得显着的突破。钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池，更是被认为是未来实现更高效率和更低成本的理想方案。然而，在空气环境下实现宽带隙钙钛矿 (~1.68 eV) 的可扩展制备一直是一个巨大的挑战，因为水分会加速钙钛矿薄膜的降解。南京大学谭海仁教授团队近期取得重大突破，他们在研究中发现，溶剂的性质对水分干扰的影响程度至关重要。通过深入研究，他们发现正丁醇 (nBA) 由于其低极性和中等挥发速率，不仅可以有效缓解空气环境中水分对钙钛矿薄膜的负面影响，還可以提高钙钛矿薄膜的均勻性，进而实现可扩展制备。

钙钛矿材料因具备较长的电子-空穴扩散长度、较大的光学吸收系数、较强的激子跃迁及可低温制备等诸多优点, 成为了光伏太阳能领域的研究热点。

光致卤素分离会限制宽禁带钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性。利用溶液后处理形成混合二维/三维异质结构是一种典型的改善钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的策略。但是,由于表面重构的组成相依性,传统的溶液后处理对于缺乏甲铵和富集铯/溴的宽禁带钙钛矿太阳能电池来说并不适用。研究人员开发了一种通用的三维到二维钙钛矿转化方法,在宽禁带钙钛矿层(1.78 eV)上实现优先生长更高维数(n ≥ 2)的二维结构。这种技术首先通过蒸气辅助双步骤沉积程序沉积一层规则的三维MAPbI3薄层,随后将其转化为二维结构。这种二维/三维异质结构抑制了光致卤素分离,减少了非辐射界面重组,并促进了荷电子提取。宽禁带钙钛矿太阳能电池达到了19.6%的光电转换效率,开路电压1.32 V。与热稳定的FAPb0.5Sn0.5I3窄禁带钙钛矿串联后,全钙钛矿串联太阳能电池达到了28.1%的稳定光电转换效率,在连续855小时1太阳光照射下,保持了90%的初始性能。

钙钛矿太阳能电池（PSC）近年来发展迅猛，已成为最有潜力的下一代光伏技术之一。然而，钙钛矿材料的稳定性和制备工艺仍存在一些挑战，阻碍着 PSC 的大规模应用。提高钙钛矿电池效率和稳定性的一个重要方法是缺陷钝化，以减少缺陷态和陷阱态，提高电荷载流子传输效率。在最近发表在《Nature》期刊的一项重要研究中，由香港城市大学冯宪平教授和英国牛津大学 Henry J. Snaith 教授共同领导的团队，发展出了一种具有突破性的水活化动力钝化策略，为高效且稳定性的钙钛矿太阳能电池技术的实现铺平了道路。

太阳能电池是实现清洁能源的重要途径，但传统硅基太阳能电池的效率受材料特性限制，无法充分利用所有光谱。 近年来，钙钛矿太阳能电池凭借其高效、低成本和制备工艺简单等优点，成为具潜力的下一代光伏技术之一。然而，钙钛矿材料的稳定性问题一直是制约其大规模应用的瓶颈。近期，中国科学院化学研究所胡劲松研究员领导的研究团队在Energy & Environmental Science 期刊上发表了一篇重要研究成果。 他们巧妙地利用可调节的膦配体对钙钛矿/聚合物界面进行分子调控，成功地提高了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，突破了此前纪录，将器件效率提升至25.08%！胡劲松研究员，现任中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。 他长期致力于有机光电材料和器件、钙钛矿太阳能电池等方面的研究，在国际重要学术期刊上发表SCI论文300余篇，被引用20000多次，获授权发明40余项。 他的研究团队在钙钛矿太阳能电池领域做出了突出贡献，曾获国家自然科学奖二等奖等重要奖项。

以CH3NH3PbI3为钙钛矿材料制备出的太阳能电池具有优秀的电池转化效率。本文通过ESCALAB 250Xi仪器对制备得到的钙钛矿太阳能电池器件进行深度剖析，表征元素含量及化学态随材料深度的变化。采用了Ar+单粒子模式对该样品进行刻蚀，在分析数据真实性和准确性的同时，探讨该种刻蚀模式对分析此类样品的适用性。

钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池中最耀眼的明星,在短短十年内其转化效率提升到了25.2%,而且由于其低廉的制造成本,有望在脱碳能源领域发挥巨大的作用。但是,由于钙钛矿太阳能电池中的各功能层材料对空气中的水蒸汽、氧气,紫外光,压力等比较敏感,大大缩短了使用寿命。封装技术能够有效地将工作元件与外界环境隔离,防止各种杂质的污染和腐蚀,是一种提高精密电子元器件使用寿命的方法。运用优异的绝缘性的聚合物材料进行封装,热塑性和一定的机械强度,致密的封装层能够有效隔绝空气中的水和氧气,可以实现低成本的大面积封装。

钙钛矿广泛用于太阳能电池的开发。由于这些类型的太阳能电池具有良好的光伏性能，因此对它们进行了系统的研究。钙钛矿薄膜的厚度和形态是影响太阳能电池性能的重要因素。特别地，人们发现，当钙钛矿的厚度小于400nm时，钙钛矿太阳能电池的效率很大程度上取决于薄膜厚度；而当钙钛矿的厚度大于400nm时，效率则很大程度上取决于钙钛矿层的薄膜形态。在本应用说明中，我们使用FR工具测量钙钛矿薄膜的厚度。

想象一下，未来我们穿的衣服不再仅仅是蔽体的工具，而是能够感知周围环境，监测身体状况，甚至实现人机交互的智能系统。这正是可穿戴科技的魅力所在！而将光电器件，如晶体管和光电探测器（PDs），集成到可穿戴设备和纺织品中，是实现这一愿景的关键。然而，可穿戴科技的发展面临着巨大的挑战，其中一个关键问题是如何让器件在弯曲、拉伸等机械形变下保持稳定性能。传统的器件大多依赖于硅基材料，难以满足柔性可穿戴的需求。 石墨烯-钙钛矿开启可穿戴科技新纪元为了突破这一技术瓶颈，来自剑桥大学的 Andrea C. Ferrari 教授团队在 Advanced Materials 期刊上发表了一项突破性研究，他们巧妙地将石墨烯和钙钛矿结合起来，制备出具有优异性能的可穿戴光纤光电探测器。