背景介紹
2024年10月14日，北京大學、南京大學、蘇州大學等第一通訊單位分別Nature上連續(xù)發(fā)表了關于鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的最新成果，即“Coherent growth of high-Miller-index facets
enhances perovskite solar cells”、“Homogenized contact in all-perovskite tandems using
tailored 2D perovskite”和“Strain regulation retards natural operation decay
of perovskite solar cells”。下面，對這三篇成果進行簡要的介紹！
成果展示
1、高米勒指數晶面的相干生長增強PSCs
獲得高質量的微米厚鈣鈦礦薄膜是實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的p-i-n鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的關鍵，但仍然是一個關鍵的挑戰(zhàn)?；诖耍?strong>北京大學朱瑞研究員和龔旗煌院士、牛津大學Henry J. Snaith、劍橋大學Samuel D. Stranks、寧波東方理工大學Bing Han以及北京航空航天大學所Deying Luo（共同通訊作者）等人報道了一種有效的方法，通過形成一致的晶界來生產高質量的、微米厚的甲脒基鈣鈦礦薄膜。在穩(wěn)定的氣氛中，高米勒指數取向的晶粒生長在低米勒指數取向的晶粒上。所制備的微米厚鈣鈦礦薄膜晶界和晶粒增強，具有穩(wěn)定的材料性能和優(yōu)異的光電性能。小面積太陽能電池的效率達到了26.1%。1 cm2的器件和5 cm×5 cm的微型模塊的效率分別為24.3%和21.4%。在穩(wěn)定的氣氛中處理的器件在所有四個季節(jié)都具有很高的重現(xiàn)性，同時封裝的器件在環(huán)境空氣中的光和熱應力下都表現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。
圖1-2.在微米厚的鈣鈦礦中設計高米勒指數晶面和DFT計算圖1-3.原子尺度高分辨率Cryo-TEM圖像和相干晶界
圖1-4.器件性能和穩(wěn)定性
2、定制的2D鈣鈦礦在所有鈣鈦礦串聯(lián)中實現(xiàn)均勻接觸
可伸縮全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的制造被認為是鈣鈦礦光伏組件商業(yè)化的一個有吸引力的途徑。然而，1 cm2規(guī)模的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的認證效率落后于小面積（~0.1 cm2）的同類電池，這種性能缺陷源于大規(guī)模的寬帶隙（WBG）PSCs的不均勻性。其中，已知不均勻性是在底部界面和鈣鈦礦本身內部引入的?；诖耍?strong>南京大學譚海仁教授、吉林大學張立軍教授和劍橋大學Samuel D. Stranks（共同通訊作者）等人報道了不均勻性的另一個關鍵來源——電子傳輸層沉積過程中形成的頂部界面（ETL，C60）。同時，較差的ETL接口也是限制設備性能的一個重要因素。
作者通過引入4-氟苯乙胺（F-PEA）和4-三氟甲基苯基銨（CF3-PA）的混合物來構建定制的二維（2D）鈣鈦礦層（TTDL）來解決這個問題，其中F-PEA在表面形成2D鈣鈦礦，減少了接觸損失和不均勻性，CF3-PA增強了電荷的提取和傳輸。因此，作者在1.77 ev WBG PSCs平方厘米尺度上展示了1.35 V的高開路電壓和20.5%的效率。通過與窄帶隙鈣鈦礦亞電池堆疊，實現(xiàn)了1.05 cm2的全鈣鈦礦串聯(lián)電池，其效率為28.5%（認證為28.2%），是目前所有報道中最高的。本工作展示了處理頂部鈣鈦礦/ETL接觸對于升級鈣鈦礦太陽能電池的重要性。
圖文解讀
圖2-2.增強均勻性定制2D鈣鈦礦層的形成機理和功能
3、應變調節(jié)延緩鈣鈦礦太陽能電池的自然運行衰減
在過去的十年中,鈣鈦礦太陽能電池（pero-SCs）得到了迅速的發(fā)展。然而，目前還缺乏系統(tǒng)的研究來探討硅太陽能電池中使用的工作壽命評估經驗規(guī)則是否可以應用于pero-SCs?？茖W家們普遍認為，pero-SCs在晝夜循環(huán)中表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，這是由于在黑暗中具有自愈作用?；诖耍?strong>蘇州大學李耀文教授和張曉宏教授、瑞典林雪平大學高峰教授（共同通訊作者）等人發(fā)現(xiàn)高效FAPbI3 pero-SCs在自然晝夜循環(huán)模式下的降解速度要快得多，但這對基于連續(xù)模式測試估計pero-SCs使用壽命的廣泛接受的方法提出了質疑。結果表明，在連續(xù)光照模式下，鈣鈦礦的晶格應變逐漸減弱，而在循環(huán)模式下，晶格應變同步循環(huán)。循環(huán)模式下的周期性晶格應變導致深阱積累和運行過程中的化學降解，降低離子遷移電位，從而降低器件壽命。作者引入了苯亞硒酰氯（Ph-Se-Cl）來調節(jié)鈣鈦礦在晝夜循環(huán)中的晶格應變，在改進后的循環(huán)模式下，經認證的效率為26.3%，T80壽命提高了10倍。
圖文解讀
圖3-1.更快的PCE衰減和循環(huán)晶格應變在晝夜循環(huán)工作模式 圖3-2.晝/夜循環(huán)工作模式下缺陷演化、離子遷移動力學和應力演化
圖3-3.通過Ph-Se-Cl改性減輕循環(huán)晶格應變 圖3-4.pero-Ph-Se-Cl基器件的穩(wěn)定性 文獻信息
1. Coherent growth of high-Miller-index facets enhances perovskite solar
cells.Nature.
2. Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D
perovskite. Nature.
3. Strain regulation retards natural operation decay of perovskite solar
cells. Nature.
