鈣鈦礦太陽能電池（PSC）憑借其高效率、低成本、易制備等優(yōu)勢， 成為近年來光伏領(lǐng)域具潛力的下一代光伏技術(shù)之一。 但目前， 鈣鈦礦太陽能電池的小尺寸器件已取得重大突破， 但在向大面積模塊化生產(chǎn)發(fā)展過程中仍存在不少挑戰(zhàn)。 制備大面積模塊需要更長的時間， 這對薄膜的沉積和制備工藝提出了更高要求， 同時也對材料的穩(wěn)定性和加工窗口提出了挑戰(zhàn)。

近三年來，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊化的研究進程主要集中在提高效率、穩(wěn)定性和可制造性方面。

研究進程

l  效率提升

2021年：研究人員實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池的效率突破，將小面積器件的轉(zhuǎn)換效率提升至25%以上。
2022年：大面積模塊的轉(zhuǎn)換效率也取得了顯著進展，一些研究團隊報告了10x10厘米模塊效率超過20%的成果。

2023年：繼續(xù)優(yōu)化材料和制造工藝，一些大規(guī)模制造商宣布其生產(chǎn)線上的大面積鈣鈦礦模塊效率接近商業(yè)化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

l  穩(wěn)定性改進

材料工程: 研究人員通過添加劑和界面工程技術(shù)顯著提高了鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，減少了光、熱和濕氣對材料的降解。

封裝技術(shù): 先進的封裝技術(shù)被開發(fā)出來，能夠有效保護鈣鈦礦層，提高模塊的長期穩(wěn)定性。

l  制造工藝

噴涂和印刷技術(shù): 噴涂和印刷技術(shù)的發(fā)展使得大面積鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)成為可能，降低了制造成本并提高了生產(chǎn)速度。

全溶液處理: 全溶液處理工藝被優(yōu)化，用于制備均勻的大面積鈣鈦礦薄膜，進一步推動了模塊化生產(chǎn)。

研究瓶頸

l  長期穩(wěn)定性: 盡管有進展，但鈣鈦礦材料在長期暴露于環(huán)境條件下的穩(wěn)定性仍然是一個挑戰(zhàn)。需要進一步研究改進材料組成和封裝技術(shù)，以確保模塊在長時間使用中的性能不下降。

l  大規(guī)模生產(chǎn)一致性: 在大規(guī)模生產(chǎn)過程中，如何確保每個模塊的一致性和高質(zhì)量仍然是一個重要課題。生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量控制需要進一步優(yōu)化。

l  環(huán)境友好性: 鈣鈦礦材料中常用的鉛元素對環(huán)境和健康有潛在危害，如何開發(fā)無鉛鈣鈦礦材料或者回收利用鉛是當(dāng)前的重要研究方向。

l  界面問題: 鈣鈦礦層與電極之間的界面問題可能導(dǎo)致電池效率下降和穩(wěn)定性降低。界面工程和新型界面材料的研究仍需深入。

近日，由西安電子科技大學(xué)常晶晶教授，聯(lián)合洛桑理工學(xué)院 Mohammad Khaja Nazeeruddin 教授團隊和西北工業(yè)大學(xué)李禎教授團隊在Energy & Environmental Science 雜志發(fā)表了突破性研究成果。 該團隊通過巧妙地將 N-甲基-2-吡咯烷酮溶劑與冷卻策略相結(jié)合， 在兩步沉積法中獲得了更穩(wěn)定的基于 FA 的鈣鈦礦中間相， 從而實現(xiàn)了更長的退火窗口。

【冷卻穩(wěn)定中間相： 為鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊化生產(chǎn)照亮曙光】

該團隊采用一種創(chuàng)新策略， 在兩步沉積法的制備過程中， 通過將 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 溶劑與冷卻策略相結(jié)合， 使 FA 基鈣鈦礦中間相能夠更加穩(wěn)定地存在。 這一策略將鈣鈦礦材料的退火窗口擴展了 20 倍 (從 9 分鐘到 180 分鐘)。 他們發(fā)現(xiàn)， 將中間相冷卻至接近 0°C 的低溫環(huán)境， 可以有效抑制 δ-相 FAPbI3 的形成， 從而大幅度延長鈣鈦礦中間相的穩(wěn)定時間。

這一技術(shù)突破， 使研究團隊能夠成功地在 45 cm2 的大面積基板上制備出均勻的鈣鈦礦薄膜。 此外， 采用這種方法制備的鈣鈦礦太陽能電池微型模塊實現(xiàn)了高達 22.34% 的效率， 經(jīng)過認(rèn)證的效率為 21.51%。 更重要的是， 即使在 180 分鐘的退火延遲時間后， 該模塊仍能保持 20.89% 的不錯效率， 充分體現(xiàn)了該方法對于制造高效鈣鈦礦太陽能電池的超長工藝窗口優(yōu)勢。

【推動鈣鈦礦太陽能技術(shù)走向應(yīng)用】

研究團隊的成果充分體現(xiàn)了穩(wěn)定鈣鈦礦中間相在促進鈣鈦礦太陽能電池模塊化生產(chǎn)方面的重要性。 該策略為高效、穩(wěn)定、大面積鈣鈦礦太陽能電池的制備帶來了巨大的機遇， 有望推動鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)走向工業(yè)化應(yīng)用。

總結(jié):

該團隊通過將 N-甲基-2-吡咯烷酮溶劑與冷卻策略相結(jié)合， 成功地穩(wěn)定了 FA 基鈣鈦礦中間相， 大幅度擴展了制備工藝的時間窗口， 使得鈣鈦礦太陽能電池能夠在更寬松的條件下進行制備， 為大面積模塊的制造提供了可靠的解決方案。 他們的研究為鈣鈦礦太陽能電池的實際應(yīng)用打開了新的視野， 推動了這一領(lǐng)域的發(fā)展。

通過解決穩(wěn)定性、一致性和環(huán)境友好性等挑戰(zhàn)， 鈣鈦礦太陽能電池最終將能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用， 成為未來能源的重要組成部分。

重要技術(shù)參數(shù)：

l   鈣鈦礦太陽能電池模組效率: > 22.34%

l   關(guān)鍵技術(shù)： 冷卻穩(wěn)定中間相， 擴大工藝窗口

l   關(guān)鍵設(shè)備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學(xué)儀

研究團隊介紹

常晶晶

常晶晶教授，西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。研究方向主要包括有機電子器件、鈣鈦礦太陽能電池以及其他新型光電器件。在光電子材料與器件領(lǐng)域，常晶晶教授發(fā)表了多篇高影響力的學(xué)術(shù)論文，主持和參與了多項科研項目，取得了顯著的研究成果。致力于探索高效、穩(wěn)定的新型光電材料和器件。常晶晶教授在國際學(xué)術(shù)界享有盛譽，并積極參與國際學(xué)術(shù)交流與合作。

Mohammad Khaja Nazeeruddin

Mohammad Khaja Nazeeruddin教授，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）化學(xué)系教授，鈣鈦礦太陽能電池研究專家。他的研究涵蓋鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、光伏器件和能源材料等領(lǐng)域。Nazeeruddin教授在頂級學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了超過600篇論文，引用次數(shù)超過100,000次，是光伏研究領(lǐng)域的人物。他的研究成果推動了高效鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展，并獲得了多項國際大獎和榮譽稱號。Nazeeruddin教授在國際學(xué)術(shù)界具有廣泛影響力，積極參與全球科研合作和交流。

李禎

李禎教授，現(xiàn)任西北工業(yè)大學(xué)教授、 博士生導(dǎo)師，高層次青年人才。主要從事柔性鈣鈦礦太陽能電池相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在《Nat. Rev. Mater.》《Energy Environ. Sci.》《Adv. Energy Mater.》《ACS Nano》等能源和材料領(lǐng)域的重要國際期刊累計發(fā)表SCI論文100余篇，其中ESI高被引論文9篇，論文引用15000余次，H因子49；主持國家自然科學(xué)基金面上、空天動力陜西實驗室課題等項目10余項。擔(dān)任中國能源學(xué)會新能源專委會委員和物理化學(xué)學(xué)報青年編委等學(xué)術(shù)兼職。研究主要集中于太陽能電池材料和器件的制備、 表征以及性能研究， 以及相關(guān)材料的理論計算模擬。 他在能源與環(huán)境領(lǐng)域做出了突出的貢獻， 并在國際著名期刊發(fā)表了多篇高水平論文。

參考文獻

Efficient perovskite solar modules with an ultra-long processing window enabled by cooling stabilized intermediate phases _ Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01147C

【本研究參數(shù)圖】

Fig S23.  對照組和目標(biāo) PSC 的 EQE 光譜。

上述研究數(shù)據(jù)來自光焱科技 _ QE-R 光伏/太陽能電池 EQE 完整解決方案

Fig. S26 FAPbI3@D/D 和 FAPbI3@D/N 器件 (有效面積 1.00 cm2) 在最大功率點測試的穩(wěn)態(tài)電流密度和 PCE。

Fig. S27 在黑暗氮氣氣氛下儲存的大面積 FAPbI3@D/N 器件的長期穩(wěn)定性。

Fig. S28 在不同溫度下退火 120 分鐘的鈣鈦礦薄膜的效果。 (a) FAPbI3@D/D 和 (b) FAPbI3@D/N 的俯視圖 SEM 圖像。 (c) FAPbI3@D/D、(d) FAPbI3@D/N 薄膜的 XRD 圖樣和 (e) 鈣鈦礦 (110) 相對 PbI2 的峰值強度比。 (f) FAPbI3@D/D 和 (g) FAPbI3@D/N 的 PL 光譜。 (h) 衍生自 FAPbI3@D/D 和 FAPbI3@D/N 薄膜的器件的 PCE 變化。 誤差線由六個獨立的電池獲得。

推薦設(shè)備

 QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案

具有以下特色優(yōu)勢：

l   高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準(zhǔn)光源，確保 EQE 測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

l   寬光譜范圍:QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。

l   快速測量:QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進行 EQE 光譜測量。

l   易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學(xué)者也能輕松上手。

l   多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進行 EQE 測量，還可以進行反射率、透射率等光學(xué)特性的測量，具有多功能性。

文獻參考自Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01147C

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