一天三篇Nature！钙钛矿太阳能电池！

学术 2024-10-15 21:30 广东

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背景介绍

2024年10月14日，北京大学、南京大学、苏州大学等第一通讯单位分别Nature上连续发表了关于钙钛矿太阳能电池（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，对这三篇成果进行简要的介绍！

成果展示

1、高米勒指数晶面的相干生长增强PSCs

获得高质量的微米厚钙钛矿薄膜是实现高效、稳定的p-i-n钙钛矿太阳能电池（PSCs）的关键，但仍然是一个关键的挑战。基于此，北京大学朱瑞研究员和龚旗煌院士、牛津大学Henry J. Snaith、剑桥大学Samuel D. Stranks、宁波东方理工大学Bing Han以及北京航空航天大学所Deying Luo（共同通讯作者）等人报道了一种有效的方法，通过形成一致的晶界来生产高质量的、微米厚的甲脒基钙钛矿薄膜。在稳定的气氛中，高米勒指数取向的晶粒生长在低米勒指数取向的晶粒上。所制备的微米厚钙钛矿薄膜晶界和晶粒增强，具有稳定的材料性能和优异的光电性能。小面积太阳能电池的效率达到了26.1%。1 cm²的器件和5 cm×5 cm的微型模块的效率分别为24.3%和21.4%。在稳定的气氛中处理的器件在所有四个季节都具有很高的重现性，同时封装的器件在环境空气中的光和热应力下都表现出优异的长期稳定性。

图文解读

图1-1.最佳厚度预测和厚度控制

图1-2.在微米厚的钙钛矿中设计高米勒指数晶面和DFT计算

图1-3.原子尺度高分辨率Cryo-TEM图像和相干晶界

图1-4.器件性能和稳定性

2、定制的2D钙钛矿在所有钙钛矿串联中实现均匀接触

可伸缩全钙钛矿串联太阳能电池的制造被认为是钙钛矿光伏组件商业化的一个有吸引力的途径。然而，1 cm²规模的全钙钛矿串联太阳能电池的认证效率落后于小面积（~0.1 cm²）的同类电池，这种性能缺陷源于大规模的宽带隙（WBG）PSCs的不均匀性。其中，已知不均匀性是在底部界面和钙钛矿本身内部引入的。基于此，南京大学谭海仁教授、吉林大学张立军教授和剑桥大学Samuel D. Stranks（共同通讯作者）等人报道了不均匀性的另一个关键来源——电子传输层沉积过程中形成的顶部界面（ETL，C₆₀）。同时，较差的ETL接口也是限制设备性能的一个重要因素。

作者通过引入4-氟苯乙胺（F-PEA）和4-三氟甲基苯基铵（CF3-PA）的混合物来构建定制的二维（2D）钙钛矿层（TTDL）来解决这个问题，其中F-PEA在表面形成2D钙钛矿，减少了接触损失和不均匀性，CF3-PA增强了电荷的提取和传输。因此，作者在1.77 ev WBG PSCs平方厘米尺度上展示了1.35 V的高开路电压和20.5%的效率。通过与窄带隙钙钛矿亚电池堆叠，实现了1.05 cm²的全钙钛矿串联电池，其效率为28.5%（认证为28.2%），是目前所有报道中最高的。本工作展示了处理顶部钙钛矿/ETL接触对于升级钙钛矿太阳能电池的重要性。

图文解读

图2-1.钙钛矿薄膜和器件的均匀性

图2-2.增强均匀性定制2D钙钛矿层的形成机理和功能

图2-3.宽带隙钙钛矿太阳能电池的性能

图2-4.单片全钙钛矿叠层太阳能电池的性能

3、应变调节延缓钙钛矿太阳能电池的自然运行衰减

在过去的十年中,钙钛矿太阳能电池（pero-SCs）得到了迅速的发展。然而，目前还缺乏系统的研究来探讨硅太阳能电池中使用的工作寿命评估经验规则是否可以应用于pero-SCs。科学家们普遍认为，pero-SCs在昼夜循环中表现出更高的稳定性，这是由于在黑暗中具有自愈作用。基于此，苏州大学李耀文教授和张晓宏教授、瑞典林雪平大学高峰教授（共同通讯作者）等人发现高效FAPbI₃ pero-SCs在自然昼夜循环模式下的降解速度要快得多，但这对基于连续模式测试估计pero-SCs使用寿命的广泛接受的方法提出了质疑。结果表明，在连续光照模式下，钙钛矿的晶格应变逐渐减弱，而在循环模式下，晶格应变同步循环。循环模式下的周期性晶格应变导致深阱积累和运行过程中的化学降解，降低离子迁移电位，从而降低器件寿命。作者引入了苯亚硒酰氯（Ph-Se-Cl）来调节钙钛矿在昼夜循环中的晶格应变，在改进后的循环模式下，经认证的效率为26.3%，T₈₀寿命提高了10倍。

图文解读

图3-1.更快的PCE衰减和循环晶格应变在昼夜循环工作模式

图3-2.昼/夜循环工作模式下缺陷演化、离子迁移动力学和应力演化

图3-3.通过Ph-Se-Cl改性减轻循环晶格应变

图3-4.pero-Ph-Se-Cl基器件的稳定性

文献信息

1. Coherent growth of high-Miller-index facets enhances perovskite solar cells.Nature , 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08159-5.

2. Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite. Nature, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08158-6.

3. Strain regulation retards natural operation decay of perovskite solar cells. Nature, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08161-x.

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