鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其出色的光電轉(zhuǎn)換效率、低廉的生產(chǎn)成本以及簡便的制造工藝，近年來成為光伏技術(shù)研究的熱門方向。鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光吸收特性和可調(diào)節(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，使其在光伏領域展示出巨大潛力。傳統(tǒng)的PSC多采用金屬電極（如金、銀等），雖然這些金屬電極能夠提供良好的導電性，但其高昂的成本和復雜的制備工藝限制了大規(guī)模應用。

為了降低生產(chǎn)成本并提升器件的柔性可加工性，研究人員逐漸將目光轉(zhuǎn)向碳材料電極。碳電極不僅價格低廉、資源豐富，而且在高溫和濕度等惡劣環(huán)境下表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。此外，碳材料的多樣性和可加工性使其能夠適應柔性太陽能電池的需求，進一步拓寬了PSC的應用前景。

盡管如此，如何提升碳電極鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍然是該領域面臨的一個重大挑戰(zhàn)。當前的研究主要集中在優(yōu)化碳電極的結(jié)構(gòu)、改進鈣鈦礦層的質(zhì)量以及提升電荷傳輸效率等方面。通過與國際研究機構(gòu)的合作，如河南大學與中東地區(qū)的KAUST聯(lián)合攻關(guān)，科學家們正在不斷探索新的方法和材料，力求突破效率瓶頸，推動鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的進一步發(fā)展。

碳電極鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)主要包括以下部分:

l  基底材料: 通常是玻璃或者柔性塑料。

l  導電氧化物層: 例如FTO（摻氟氧化錫）或者ITO（氧化銦錫），用于作為底電極。

l  電子傳輸層（ETL）: 例如二氧化鈦 (TiO?) 或氧化鋅 (ZnO)， 用于電子的傳導。

l  鈣鈦礦吸光層: 通常為有機-無機雜化鈣鈦礦材料， 例如甲胺鉛碘 (MAPbI?)。

l  空穴傳輸層（HTL）: 例如聚噻吩 (PEDOT) 或氧化鎳 (NiO)， 用于空穴的傳導。

l  碳電極層: 碳電極可以通過涂覆、 印刷或者噴涂的方法沉積在空穴傳輸層上。

近期， 河南大學譚付瑞 等科研人員在 Nano Micro Small 期刊上發(fā)表了一篇重要研究成果， 他們在碳電極鈣鈦礦太陽能電池領域取得了突破性進展。 研究團隊通過對傳統(tǒng)的空穴傳輸層材料聚（3-己基噻吩）（P3HT）進行精細的分子排列控制， 有效地提高了電池的性能。

【精準操控， 突破傳統(tǒng)材料瓶頸， 提升碳電極鈣鈦礦太陽能電池性能】

Stefaan De Wolf教授 是沙特阿卜杜拉國王科技大學 (KAUST) 太陽能中心的教授， 他的研究團隊致力于提升鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性， 在該領域有著重要的影響力。

與一般3D鈣鈦礦太陽能電池的主要差異如下：

l  電極材料: 一般 3D 鈣鈦礦太陽能電池常用金屬電極（例如金、 銀）作為頂電極， 而碳電極鈣鈦礦太陽能電池使用廉價且穩(wěn)定的碳材料。

l  成本和穩(wěn)定性: 碳電極相對于貴金屬電極成本更低， 并且在高溫和潮濕環(huán)境下表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。

l  制備方法: 碳電極的制備可以更加簡單和低成本， 適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

l  設備性能: 由于碳電極的導電性和光學特性與金屬電極不同， 可能會對太陽能電池的效率和光電轉(zhuǎn)換性能產(chǎn)生影響。

研究團隊指出， 傳統(tǒng)使用的 P3HT 空穴傳輸層材料， 其分子通常會呈現(xiàn)出 “邊緣取向” (Edge-on) 的排列模式， 導致其烷基側(cè)鏈直接接觸鈣鈦礦層， 阻礙了鈣鈦礦/P3HT 界面的高效電荷傳輸。 為了克服這一挑戰(zhàn)， 該團隊開發(fā)了一套協(xié)同策略， 通過添加劑和溶劑工程， 成功地將 P3HT 空穴傳輸層的分子排列模式轉(zhuǎn)變?yōu)?/span> “三維取向” (3D Orientation) 。 這種新的排列方式不僅提高了電荷傳輸速率， 而且增強了 P3HT 薄膜的抗?jié)裥阅埽?/span> 同時也優(yōu)化了 P3HT 材料與鈣鈦礦層的能級排列， 促進了載流子的收集和轉(zhuǎn)移。

這項創(chuàng)新技術(shù)帶來以下積極成果：

1.   高效載流子傳輸: 新排列的 P3HT 薄膜可以有效降低電荷傳輸阻抗， 使光生載流子能夠更快速地轉(zhuǎn)移到電極， 從而提高電池的短路電流密度。

2.   抗?jié)裥蕴嵘?/span>: 改進的分子排列模式提高了材料的抗?jié)衲芰Γ?/span> 從而增強了電池的穩(wěn)定性。

3.   優(yōu)化能級匹配: 更精確的分子排列能夠優(yōu)化材料的能級排列， 促使電子或空穴更有效地從鈣鈦礦層傳輸?shù)诫姌O， 從而提升電池的開路電壓和填充因子。

【創(chuàng)新合作，顯著提高碳電極鈣鈦礦太陽能電池性能】

這項研究成果使得小面積 (0.04 cm2) 和 大面積 (1 cm2) 的器件分別取得了 20.55% 和 18.32% 的顯著效率。

研究團隊使用光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 和 SS-X 系列 A+ 級太陽光模擬器 對所制備的碳電極鈣鈦礦太陽能電池進行了測試。

n   光焱科技的 QE-R 設備能夠準確測量電池在不同波長下的外量子效率 (EQE)， 幫助研究人員更準確地分析材料的光電轉(zhuǎn)換特性。

n   光焱科技的 SS-X 系列 A+ 級太陽光仿真器則能夠模擬真實的陽光照射條件， 使研究結(jié)果更接近實際應用情況。

該團隊的研究突破了碳電極鈣鈦礦太陽能電池領域一直存在的瓶頸， 為設計更高效的碳電極器件提供了新思路。 更重要的是， 這種新型材料結(jié)構(gòu)也有望應用在其他光電器件中， 例如柔性器件和串聯(lián)太陽能電池等等。

該研究團隊成功地利用新策略， 將傳統(tǒng)空穴傳輸材料的分子排列方式進行了優(yōu)化， 從而提升了碳電極鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。 他們的研究成果 在探索新型高性能太陽能電池領域取得了重要進展， 未來將會為可再生能源的發(fā)展注入更大的活力。

重要技術(shù)參數(shù)：

小面積器件效率： 20.55%

大面積器件效率： 18.32%

關(guān)鍵技術(shù): P3HT 分子取向調(diào)控

關(guān)鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 級太陽光模擬器

參考文獻

Molecular Orientation Regulation of Hole Transport Semicrystalline-Polymer Enables High-Performance Carbon-Electrode Perovskite Solar Cells _Nano Micro Small. July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015

【本研究參數(shù)圖】

Figure S1. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different solvent.

Figure S2. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different additive.

Figure S3. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different amount of additive.

Figure S23. a) PLQY values of the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (10mg/mL), PVK/Target P3HT (10mg/mL); b) PLQY values of the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (0.5mg/mL), PVK/Target P3HT (0.5mg/mL); c) Voltage loss originated from non-radiative recombination for the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (0.5mg/mL), PVK/Target P3HT (0.5mg/mL).

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文獻參考自Nano Micro Small. July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015

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