大牛，又发Nature，今年第四篇正刊！华科校友一作兼通讯！

科技 2024-12-25 17:00 上海

研究背景

钙钛矿太阳能电池因其高效率和低成本的潜力，成为了光伏领域的研究热点。然而，尽管钙钛矿材料具有优异的光电性能，窄带隙锡铅钙钛矿在薄膜器件中的应用仍面临着一系列挑战，主要包括Sn(II)易氧化为Sn(IV)以及晶化过程难以控制。这些问题限制了钙钛矿太阳能电池的性能提升和稳定性，尤其是在多结串联光伏器件中的应用。因此，如何提高钙钛矿薄膜的质量、均匀性和光电性能成为了当前亟待解决的关键问题。

为了解决这些挑战，牛津大学Henry J. Snaith教授、Shuaifeng Hu（华中科技大学校友一作兼通讯）以及京都大学Atsushi Wakamiya携手在“Nature”期刊上发表了题为“Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics”的最新论文。科学家们针对锡铅钙钛矿前驱体溶液的化学性质进行了深入研究。研究发现，Sn(II)物种在与前驱体和添加剂的相互作用中起主导作用，羧酸对溶液胶体性质和薄膜结晶有独特调节作用，而铵盐则在提高薄膜的光电性能方面发挥了重要作用。通过将这两种功能基团结合，氨基酸盐材料显著改善了钙钛矿薄膜的半导体质量和均匀性，超越了单独使用这些功能基团时的效果。这一发现为进一步提升锡铅钙钛矿太阳能电池的效率提供了新的思路。

基于这些研究，科学家成功地制造出了单结、双结和三结钙钛矿太阳能电池，分别实现了23.9%、29.7%和28.7%的PCE（最高认证效率为29.26%）。此外，封装后的三结电池在工作环境下的长期稳定性良好，具有80%的初始效率。该研究为多结光伏器件的进一步发展设立了新的技术基准。

值得一提的是，这是Henry J. Snaith教授2024年发表的第四篇Nature/Science！

研究亮点

（1）实验首次揭示了锡铅钙钛矿前驱体溶液中Sn(II)物种的主导作用，揭示了羧酸和铵盐在溶液胶体性质调控和薄膜光电性能提高中的独特作用。通过对不同功能基团（氨基酸盐）的选择，实验首次结合了这两种基团的效应，显著提升了钙钛矿薄膜的半导体质量和均匀性，超过了单独使用功能基团的效果。

（2）实验通过优化钙钛矿薄膜的化学组成和晶体生长过程，成功实现了高效能的多结太阳能电池。单结、双结和三结钙钛矿太阳能电池的PCE分别为23.9%、29.7%（认证值29.26%）和28.7%，而1cm²的三结器件在最大功率点跟踪下的PCE为28.4%（认证值27.28%）。进一步，封装后的三结电池在860小时的最大功率点跟踪测试中保持了80%的初始效率。此外，四结器件也表现出了27.9%的PCE和开路电压4.94V，展示了这一技术的潜力。

（3）实验表明，通过合理设计溶液化学，可以有效改善锡铅钙钛矿材料的光电性能，尤其是通过合成氨基酸盐等功能材料，增强了薄膜的均匀性和光电特性，为钙钛矿太阳能电池的进一步提升提供了新的思路和路径。

图文解读

图1：Sn–Pb钙钛矿前驱体溶液的化学性质

图2：Sn–Pb钙钛矿薄膜的形貌、晶体结构和电子特性

图3：Sn–Pb钙钛矿薄膜的光电性能表征

图4：太阳能电池器件

总结展望

本文通过深入研究锡铅钙钛矿前驱体溶液的化学性质，揭示了氨基酸盐在调节溶液胶体性质、薄膜结晶以及光电性能方面的独特作用。研究发现，氨基酸盐能够显著改善钙钛矿薄膜的均匀性和半导体质量，超越了传统单一功能基团的效果。这一发现为进一步提升钙钛矿光伏器件的效率提供了新的思路，尤其是在多结光伏器件中，钙钛矿材料的优异带隙可调性使其具备了广阔的应用前景。

此外，通过改进锡铅钙钛矿材料的氧化抑制和晶化过程，本研究突破了钙钛矿多结电池在实际应用中的瓶颈，成功制造出具有高效率和长时间稳定性的太阳能电池。这些成果不仅推动了钙钛矿光伏技术的进步，也为实现更高效、低成本的太阳能发电系统奠定了基础。科学家们可以通过进一步优化前驱体溶液配方和工艺控制，进一步提升钙钛矿光伏材料的性能，推动这一技术在实际应用中的广泛推广。

原文详情：

Hu, S., Wang, J., Zhao, P. et al. Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics. Nature (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08546-y

文章来源：纳米人

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