本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)：鈣鈦礦太陽能電池
寬帶隙鈣鈦礦作為主流疊層太陽能電池頂電池的光活性層具有關(guān)鍵作用。然而，寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的本征不穩(wěn)定性主要源于多重離子遷移導(dǎo)致的空位缺陷。
本研究創(chuàng)新性地將醚環(huán)超分子引入鈣鈦礦體系，通過調(diào)控鹵化物與單價(jià)陽離子及鉛離子的配位作用，這種超分子策略有效調(diào)控了結(jié)晶動(dòng)力學(xué)并抑制了光照下的鹵化物相分離。
基于該超分子工程策略制備的 1.77 eV 寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了 21.01% 的冠軍光電轉(zhuǎn)換效率，并展現(xiàn)出卓越的工作穩(wěn)定性：在最大功率點(diǎn)跟蹤測(cè)試 1000 小時(shí)后仍保持初始效率的 95%。同時(shí)，兩端全鈣鈦礦疊層太陽能電池獲得了 28.44% 的冠軍效率(認(rèn)證效率 27.92%)。該研究為通過超分子方法提升混合鹵化物寬帶隙鈣鈦礦的薄膜質(zhì)量和光照穩(wěn)定性開辟了新途徑。
a) 鈣鈦礦材料在未添加/添加冠醚(Crown)時(shí)的鹵素配位調(diào)控示意圖。(b)對(duì)照組與(c)冠醚修飾鈣鈦礦薄膜在 532 nm 激光持續(xù)照射下的原位熒光成像對(duì)比。d) 冠醚分子在 DMSO-d6 溶液中分別與甲脒碘化物(FAI)、碘化銫(CsI)和碘化鉛(PbI2)混合后，其環(huán)內(nèi)氫與環(huán)外氫的氫核磁共振(1H NMR)譜圖變化。(e)未修飾與冠醚修飾鈣鈦礦薄膜中碘 3d 軌道及(f)溴 3d 軌道的X射線光電子能譜(XPS)對(duì)比分析。
(a)對(duì)照組與(b)冠醚修飾鈣鈦礦薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像對(duì)比。(c)未修飾與冠醚修飾鈣鈦礦薄膜的X射線衍射(XRD)譜圖。(d)對(duì)照組與(e)冠醚修飾鈣鈦礦前驅(qū)體溶液在旋涂過程中的原位熒光(PL)演變。(f)冠醚修飾鈣鈦礦/SAM/NiOx/ITO結(jié)構(gòu)的飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)深度剖析。(g)基于空間電荷限制電流法測(cè)得的電子專用器件的陷阱填充極限電壓(VTFL)。(h)基于相同方法測(cè)得的空穴專用器件 VTFL。(i)通過532 nm 激光從 NiOx/SAM 側(cè)和 PCBM 側(cè)激發(fā)的對(duì)照組與冠醚修飾鈣鈦礦薄膜的時(shí)間分辨熒光(TRPL)譜圖(TRPL譜圖采用雙指數(shù)函數(shù) Y = A1exp(−T/T1) + A2exp(−T/T2)擬合，其中 A1、A2為 相對(duì)振幅，T1、T2 和 Ta 分別代表快、慢載流子壽命及平均載流子壽命)。
a) 倒置結(jié)構(gòu)寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池(WBG PSCs)的器件結(jié)構(gòu)示意圖。b) 對(duì)照組與冠醚修飾器件開路電壓(Voc)的統(tǒng)計(jì)分布及 c) 光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)的統(tǒng)計(jì)分布對(duì)比。d) 兩組器件的電流密度-電壓(J-V)特性曲線。e) 外量子效率(EQE)譜圖及積分短路電流密度(Jsc)對(duì)比。f) 穩(wěn)態(tài)PCE輸出測(cè)試結(jié)果。g) 在無紫外濾光片條件下(AM 1.5G 標(biāo)準(zhǔn)太陽光，100 mW/cm² 輻照度)進(jìn)行的持續(xù)光照穩(wěn)定性測(cè)試。
a) 1.77 eV 半透明鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)與窄帶隙(NBG)底電池組成的四端疊層太陽能電池(4T TSCs)器件結(jié)構(gòu)示意圖。b) 半透明對(duì)照組與冠醚修飾 PSCs 的紫外-可見光透射光譜。c) 采用冠醚修飾 1.77 eV半 透明 PSCs、錫鉛(Sn-Pb)PSCs 及濾光 Sn-Pb PSCs 構(gòu)建的 4T TSCs 的J-V特性曲線。d) 由半透明 1.77 eV PSCs 和濾光 Sn-Pb PSCs 組成的 4T TSCs 的外量子效率(EQE)譜圖。e) 上述 4T TSCs 的穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)測(cè)試結(jié)果。f) 1.77 eV 半透明 PSCs 與 NBG 底電池構(gòu)成的兩端疊層太陽能電池(2T TSCs)器件結(jié)構(gòu)。g) 對(duì)照組與冠醚修飾 2T TSCs 的J-V曲線對(duì)比。h) 采用冠醚修飾 WBG 頂電池和 Sn-Pb 底電池的 2T TSCs 的 EQE 光譜。
器件制備
寬帶隙（WBG）鈣鈦礦前驅(qū)體溶液
研究團(tuán)隊(duì)配置了 1.4 mol/L 的 Cs0.3FA0.6DMA0.1Pb(I0.7Br0.3)3(1.77 eV 帶隙)鈣鈦礦前驅(qū)體溶液：他們將 DMAI(0.14 M)、CsI(0.42 M)、FAI(0.84 M)、PbCl2(0.028 M)、PbBr2(0.63 M)和 PbI2(0.77 M)溶解于純 DMSO 溶劑中，完全溶解后，向 1 mL 前驅(qū)體溶液中加入 x mg DB30C10(x = 0.3、0.5、1.0、2.0)。溶液在氮?dú)馐痔紫渲袛嚢柽^夜，無需進(jìn)一步處理即可使用。
寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池（WBG PSCs）
1. 基底處理：
• 預(yù)圖案化 ITO 基板(方阻 15 Ω/sq)經(jīng)紫外臭氧處理 20 min。
• 旋涂 10 mg/mL NiOx 納米顆粒水溶液(4000 rpm，30 s)，100℃ 退火 10 min(空氣環(huán)境)，隨后轉(zhuǎn)移至氮?dú)馐痔紫洹?/span>
2. 空穴傳輸層（HTL）制備：
• 旋涂 Me-4PACz 與 NA 混合溶液(1 mM 乙醇溶液，體積比 3:1，4000 rpm，30 s)，100℃ 退火 10 min。
3. 鈣鈦礦層沉積手套(箱內(nèi)，H2O/O2 < 0.1 ppm，23℃)：
• 滴加 50 μL 鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，先以 2000 rpm(加速度1000 rpm/s)旋涂 15 s，再以 4000 rpm(加速度2000 rpm/s)旋涂 45 s。
• 旋涂 30 s 后，通入氮?dú)?30 psi，距基板 5 cm，持續(xù)20 s)。
• 濕膜 100℃ 退火 30 min。
4. 電子傳輸層（ETL）與電極沉積：
• 旋涂 PDAI2異丙醇溶液(2 mg/mL，4000 rpm，30 s)，100℃ 退火 5 min
• 旋涂 PC61BM 氯苯溶液(23 mg/mL，2500 rpm，40 s)，70℃ 退火 10 min。
• 旋涂 BCP 異丙醇溶液(0.5 mg/mL，5000 rpm，30 s)。
• 熱蒸發(fā)沉積 100 nm Ag 電極(活性面積 0.1017 cm2)。
半透明 WBG PSCs
1. 在 PCBM 薄膜表面旋涂 AZO 溶液(2.5 wt% AZO 納米顆粒溶液:異丙醇=3:20，2000 rpm，30 s)，70℃ 退火10 min。
2. 原子層沉積(ALD)20 nm SnOx 層(反應(yīng)器參數(shù)：H2O 脈沖 0.02 s，吹掃 25 s；TDMA 脈沖 0.2 s，吹掃 20 s)。
3. 磁控濺射 100 nm IZO 電極(Ar 氣流量 30 sccm，功率 100 W，壓力 0.5 Pa)，并制備 100 nm Ag 網(wǎng)格。
窄帶隙（NBG）鈣鈦礦前驅(qū)體溶液
配置 1.8 M 的 Cs0.1FA0.6MA0.3Sn0.5Pb0.5I3(1.24 eV 帶隙)鈣鈦礦前驅(qū)體溶液：將 CsI(46.8 mg)、MAI(85.8 mg)、FAI(185.7 mg)、SnF2(14.1 mg)、SnI2(335.3 mg)、PbI2(414.9 mg)、甘氨酸鹽酸鹽(4.0 mg)和 NH4SCN(2.7 mg)溶解于 DMSO(0.25 mL)與 DMF(0.75 mL)混合溶劑中，65℃ 攪拌 12 h，使用前經(jīng) 0.22 μm PTFE 膜過濾。
窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池（NBG PSCs）
1. 基底處理
ITO 基板紫外臭氧處理 30 min
2. 空穴傳輸層（HTL）
旋涂 PEDOT:PSS(500 rpm 10 s → 4000 rpm 30 s)，140℃ 空氣退火 20 min，手套箱內(nèi) 140℃ 退火 30 min
3. 鈣鈦礦層沉積
• 旋涂 Sn-Pb 鈣鈦礦前驅(qū)體(1000 rpm 10 s，加速度 200 rpm/s → 4000 rpm 40 s，加速度 1000 rpm/s)
• 旋涂 20 s 時(shí)滴加 400 μL 氯苯(反溶劑)，隨后 100℃ 退火 10 min，65℃ 退火10 min
4. 電子傳輸層（ETL）與電極沉積
• 旋涂 EDAI2異丙醇溶液(1.0 mg/mL，4000 rpm，30 s)，100℃ 退火 5 min
• 旋涂 PC61BM 氯苯溶液(23 mg/mL，2500 rpm，40 s)，70℃ 退火 10 min
• 旋涂 BCP 異丙醇溶液(0.5 mg/mL，5000 rpm，30 s)
• 熱蒸發(fā)沉積 100 nm Ag 電極(5×10−4 Pa)
全鈣鈦礦疊層太陽能電池（TSCs）
完成 WBG PSCs 制備至 ALD-SnO2(20 nm)沉積后，熱蒸發(fā) 1 nm Au
旋涂 PEDOT:PSS(500 rpm 10 s → 4000 rpm 30 s)，140℃ 空氣退火 20 min，手套箱內(nèi) 140℃ 退火 30 min
在氮?dú)馐痔紫渲型瓿?NBG PSCs 的后續(xù)制備步驟
儀器推薦
在鈣鈦礦研究過程中，其材料的熒光信號(hào)日益往近紅外波段拓展，可調(diào)制的壽命范圍寬，且存在樣品易受水氧的影響發(fā)生變質(zhì)，對(duì)于此類材料的光譜以及壽命測(cè)試，需要設(shè)備具備高能量脈沖光源、單光子檢測(cè)器和更寬的壽命檢測(cè)范圍。HORIBA DeltaFlex 全自動(dòng)模塊化熒光壽命光譜儀可以提供快速、高靈敏以及拓展性極佳的壽命解決方案。
HORIBA DeltaFlex 全自動(dòng)模塊化熒光壽命光譜儀
文章信息
原文：Lian, X., Jin, M., Dai, W. et al. A supramolecular approach to improve the performance and operational stability of all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 16, 7173 (2025).
發(fā)表日期：04 August 2025
第一作者：Xinxin Lian
通訊作者：深圳理工大學(xué)白楊, 復(fù)旦大學(xué)張鴻, 復(fù)旦大學(xué)莫曉亮
微信公眾號(hào)
采購(gòu)中心
手機(jī)版
制藥網(wǎng)手機(jī)版
制藥網(wǎng)小程序
官方微信
公眾號(hào)：zyzhan
預(yù)告 
預(yù)告 
預(yù)告 
