前言

如何在不犧牲半透明特性的前提下，提高太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，一直是一項重要的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的解決方案主要集中在通過添加功能性障礙層來改善鈣鈦礦晶界的穩(wěn)定性，但這往往不足以解決所有問題。因此，探索新的策略來提升半透明太陽能電池的性能，推動鈣鈦礦光伏技術(shù)在降低建筑能耗方面的應(yīng)用至關(guān)重要。

中國科學(xué)院宋延林研究員和鄭州大學(xué)馬俊杰教授、張懿強教授團隊在Advanced Energy Materials（26th Aug. 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402595）期刊發(fā)表了一種通過應(yīng)變工程穩(wěn)定雙面半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）相位均勻性的方法。該方法利用壓縮應(yīng)變重建鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，消除相分離并抑制光誘導(dǎo)的離子遷移，同時采用透明的光捕獲結(jié)構(gòu)提高光捕獲效率。結(jié)果表明，雙面ST-PSCs實現(xiàn)了13.97%的等效效率和41.58%的平均可見光透過率，光利用效率高達5.8%。該研究為開發(fā)高性能半透明鈣鈦礦太陽能電池提供了新的策略。

導(dǎo)讀目錄

1.       前言

2.       研究目的

3.       研究方法

4.       器件與表征

5.       結(jié)論

研究目的

1. 通過應(yīng)變工程改善雙面半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的相位均勻性，以提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光電性能。

2. 開發(fā)一種新型的ST-PSCs，具有雙面光捕獲配置，能夠從設(shè)備的兩側(cè)利用光線，從而提高光利用效率（LUE）。

3. 利用在位重構(gòu)策略（ISR）和酸陰離子主導(dǎo)的劑來引發(fā)壓縮應(yīng)變，從而強化鈣鈦礦晶格，抑制離子遷移，并改善相位穩(wěn)定性。

4. 通過實驗驗證和理論計算，揭示壓縮應(yīng)變在抑制相分離和提高光穩(wěn)定性方面的作用機制。

5. 實現(xiàn)高性能的ST-PSCs，具有優(yōu)異的等效效率（neg）、平均可見光透射率（AVT）和LUE，以滿足建筑物整合光伏（BIPV）和其他應(yīng)用的需求。

6. 研究未封裝設(shè)備的長期運行穩(wěn)定性，并展示其在持續(xù)光照條件下的性能保持能力。

研究方法

重構(gòu)策略（In Situ Reconstruction, ISR）是通過在鈣鈦礦薄膜表面錨定酸陰離子主導(dǎo)的劑來應(yīng)用于雙面半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的。這些酸陰離子主導(dǎo)的劑（如NO3^-, PO4^3-, CO3^2-）與鈣鈦礦框架之間的結(jié)合力產(chǎn)生了壓縮應(yīng)變，這對維持結(jié)構(gòu)的剛性以抵抗光照刺激至關(guān)重要。

壓縮應(yīng)變通過硅酸鹽的立體阻礙效應(yīng)，導(dǎo)致局部晶格排列得更緊密，從而增加了離子遷移的能量障礙。這種方法不僅促進了薄膜的均勻性，還通過在位重構(gòu)策略，利用酸陰離子主導(dǎo)的劑來改善相位穩(wěn)定性，并抑制了光誘導(dǎo)的離子遷移。此外，研究還設(shè)計了一種新的ST-PSCs，具有雙面光捕獲配置，以提高功率生成。這種創(chuàng)新設(shè)計實現(xiàn)了高光利用效率（LUE）、等效效率（neg）和平均可見光透射率（AVT）。

器件與表征

1.       材料表征：使用光譜儀進行傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析，使用X射線光電子能譜儀進行X射線光電子能譜（XPS）分析，使用掃描電子顯微鏡進行表面形態(tài)和能量色散X射線光譜（EDS）分析，以及使用紫外-可見-近紅外分光亮度計進行紫外-可見-近紅外吸收光譜分析。

2.       電性能測量：在AM 1.5G, 1 sun模擬的照射條件下，使用Enlitech的SS-X180R系統(tǒng)測量雙面半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的電流密度-電壓（J-V）特性。

圖S18：（a）雙面半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的設(shè)備結(jié)構(gòu)；（b）經(jīng)過微結(jié)構(gòu)（MSs）處理和未經(jīng)處理的設(shè)備的電流密度-電壓（J-V）特性曲線。

圖5d：展示了雙面光捕獲半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的J-V曲線，這些曲線是在玻璃基板和透明電極下的入射光條件下測量的。

Enlitech的SS-X180R系統(tǒng)在測量雙面半透明鈣鈦礦太陽能電池的J-V特性時，具體優(yōu)勢包括：

l  精確的太陽光模擬：SS-X180R系統(tǒng)能夠提供AM 1.5G, 1 sun的模擬太陽光照，即100 mW/cm2的照度，這是國際標準的測試條件，用于評估太陽能電池的性能。

l  雙面測量能力：該系統(tǒng)適合測量雙面半透明太陽能電池，能夠分別測量前側(cè)和后側(cè)的J-V特性。

l  高靈敏度：系統(tǒng)設(shè)計用于捕捉電池在不同光照條件下的精細電性能變化，提供高精度的測量結(jié)果。

l  用戶友好的操作界面：配有直觀的軟件界面，使得測量過程簡單易行，并且能夠快速分析和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。

l  全面的數(shù)據(jù)分析：除了基本的J-V曲線外，該系統(tǒng)還可測量Voc, Isc, FF, Imax, Vmax, Pmax, η, Rs, Rsh參數(shù)，幫助研究人員進一步理解太陽能電池的性能。

Enlitech太陽光模擬器SS-X實際裝機示意圖

3.       X射線衍射分析：使用多功能X射線衍射儀進行X射線衍射（XRD）分析，使用Cu Kα輻射（λ=1.54184 ?）。

4.       晶體結(jié)構(gòu)分析：使用分光計進行掠入射廣角X射線衍射（GIWAXS）分析，以及使用X射線衍射儀進行掠入射X射線衍射（GIXRD）分析，以測量表面晶格應(yīng)力。

5.       空間電荷限制電流（SCLC）測量：用于研究電荷載流子遷移率和陷阱密度，并使用公式計算缺陷密度。

6.       光利用效率（LUE）評估：作為評估ST-PSCs性能的綜合指標，結(jié)合了PCE（光電轉(zhuǎn)換效率）和AVT（平均可見光透過率）。

結(jié)論

為了穩(wěn)定雙面半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的相位均勻性，研究團隊提出了一種通過原位晶格重構(gòu)初始化壓縮應(yīng)力的方法。使用酸陰離子主導(dǎo)的劑來錨定和重構(gòu)鈣鈦礦晶格，從而形成了具有方向性的晶體結(jié)構(gòu)和均勻分布的載流子空間分布。這種方法增強了結(jié)構(gòu)抵抗光照刺激的剛性，抑制了離子遷移，并提高了相位穩(wěn)定性。

此外，研究團隊開發(fā)了一種用于ST-PSCs的雙面光捕獲配置，顯著提高了光利用效率（LUE）。該配置實現(xiàn)了5.8%的LUE、13.97%的等效效率（neg）和41.58%的平均可見光透過率（AVT），在透明度和效率之間取得了良好的平衡，使其在實際應(yīng)用中具有潛力。

研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)基團與溴離子和碘離子之間的結(jié)合能對產(chǎn)生壓縮應(yīng)變至關(guān)重要，其中CO薄膜表現(xiàn)出比NO和PO薄膜更高的結(jié)合能。這種局部應(yīng)變有助于通過錨定陽離子將不穩(wěn)定的溴離子和碘離子固定在原地。

此外，未封裝的器件在經(jīng)過該方法處理后表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在最大功率點（MPP）條件下連續(xù)光照500小時后仍保留了90.16%的初始效率，這表明通過應(yīng)變補償來減輕相位分離是可行的。

文獻參考自Advanced Energy Materials 26th Aug. 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402595

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