武漢大學 物理科學與技術(shù)學院柯維俊團隊最新發(fā)表研究，這項研究的主要成就包括：

1. 效率提升：通過使用氧氨基酸鉀鹽（OAPS）作為添加劑，研究人員成功提高了錫鉛混合窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），達到了22.04%。

2. 穩(wěn)定性改善：OAPS的引入顯著改善了鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性，未封裝的設(shè)備在氮氣環(huán)境中儲存3072小時后仍保持了91%的初始PCE。

3. 全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池（TSCs）的性能：研究還展示了OAPS在全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池中的應(yīng)用，其中兩端和四端的配置分別達到了27.17%和28.31%的效率。

4. 簡便的方法：OAPS的引入提供了一種簡便的方法來優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的性能，有助于推動該技術(shù)的商業(yè)化和實際應(yīng)用。

其中觀點包含：
1.創(chuàng)新的添加劑：OAPS作為一種新型的多功能添加劑，其在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用是一個創(chuàng)新的研究方向。

2.解決錫離子氧化問題：研究提出了一種有效方法來解決錫離子的氧化問題，這是錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中的一個主要挑戰(zhàn)。

3.實驗結(jié)果：研究提供了有力的實驗數(shù)據(jù)，證明了OAPS在提高效率和穩(wěn)定性方面的有效性，對鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展具有重要意義。

4.潛在的商業(yè)應(yīng)用：由于OAPS能夠顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的性能，這項研究對尋求提高太陽能電池效率和穩(wěn)定性的商業(yè)應(yīng)用具有吸引力。

在這項研究之前，錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）發(fā)展的主要難題是錫離子的氧化問題。錫的二價態(tài)（Sn2+）容易自發(fā)氧化成四價態(tài)（Sn4+），這會導(dǎo)致電池效率下降，因為Sn4+雜質(zhì)會損害鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量。此外，這種氧化過程還會影響電池的穩(wěn)定性和壽命。因此，如何有效抑制Sn2+的氧化并去除Sn4+雜質(zhì)，是提高錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

這項研究通過引入一種稱為氧氨基酸鉀鹽（OAPS）的多功能添加劑來解決錫離子氧化的問題。OAPS能夠有效捕捉四價錫（Sn4+）雜質(zhì)，從而抑制二價錫（Sn2+）的氧化過程。該添加劑通過其功能性氨基酸基團與Sn4+雜質(zhì)發(fā)生強相互作用，減少缺陷，改善鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，并提高錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。通過這種方法，研究人員成功提高了錫鉛混合窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率，并改善了其在氮氣環(huán)境中的儲存穩(wěn)定性。

c. EQE曲線：外量子效率（EQE）曲線顯示目標樣品在光譜范圍內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換效率高于對照樣品。

這項研究提出了一種稱為氧氨基酸鉀鹽（OAPS）的多功能添加劑，用于解決錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中錫離子的氧化問題。在實驗過程中，研究人員采取了以下步驟：

1. 合成Sn-Pb混合NBG鈣鈦礦薄膜：研究人員合成了成分為FA0.7MA0.3Pb0.5Sn0.5I3的錫鉛混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜，作為光吸收層。

2. OAPS的引入：在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中加入OAPS，以捕捉Sn4+雜質(zhì)并抑制Sn2+的氧化。

3. 薄膜的制備和表征：制備了含OAPS和不含OAPS的鈣鈦礦薄膜，并通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）等技術(shù)對薄膜進行表征，以評估OAPS的效果。

4. 器件的制備和性能評估：制備了含OAPS和不含OAPS的單結(jié)錫鉛PSCs，并評估了它們的性能，包括功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）和穩(wěn)定性。

5. 優(yōu)化OAPS的濃度：為了確定OAPS在錫鉛鈣鈦礦器件中的最佳濃度，研究人員制備了多個單結(jié)錫鉛PSCs，并評估了它們在不同OAPS濃度下的性能。

6. 全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的制備和性能評估：使用含OAPS的錫鉛窄帶隙PSCs作為子電池，制備了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池，并評估了其性能。

這些步驟展示了研究人員如何系統(tǒng)地引入和評估OAPS在錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中的效果，從而提高其效率和穩(wěn)定性。


研究團隊通過一系列表征技術(shù)來佐證他們的成果，這些技術(shù)包括：

1. 掃描電子顯微鏡（SEM）：用于觀察鈣鈦礦薄膜的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)，以評估OAPS對薄膜質(zhì)量的影響。

2. X射線光電子能譜（XPS）：用于分析薄膜的化學組成和元素的化學態(tài)，特別是錫離子的價態(tài)，以證明OAPS對抑制Sn2+氧化的效果。

3. 紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）：用于測量薄膜的光吸收特性，以評估OAPS對薄膜光學性質(zhì)的影響。

4. 光致發(fā)光（PL）光譜：用于研究薄膜的激發(fā)和發(fā)光特性，了解OAPS對薄膜缺陷密度的影響。

5. 時間分辨光致發(fā)光（TRPL）：用于測量激發(fā)態(tài)載流子的壽命，進一步了解OAPS對薄膜質(zhì)量的影響。

6. X射線衍射（XRD）：用于分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的晶體質(zhì)量。

7. 電流-電壓（J-V）測量：用于評估太陽能電池的性能參數(shù)，如開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

8. 熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性測試：用于評估含OAPS的鈣鈦礦太陽能電池在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。

這些表征技術(shù)幫助研究團隊全面理解OAPS在錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中的作用機制，并證實了OAPS對提高電池效率和穩(wěn)定性的有效性。

選用光焱科技的太陽光模擬器，幫助您在實驗中準確取得數(shù)據(jù)。

這圖顯示了D18:2BO_ARC有機太陽能電池的電流密度-電壓（J-V）曲線。圖中提供了以下關(guān)鍵性能參數(shù)：

• 開路電壓（VOC）= 0.938 V

• 短路電流密度（JSC）= 26.8      mA/cm2

• 填充因子（FF）= 75.6%

• 光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）= 19.1%

這些數(shù)據(jù)通常是使用Enlitech的SS-X50太陽模擬器進行測量的，用于評估太陽能電池的性能。

這張圖（Figure S11）顯示了兩種有機太陽能電池材料（D18和D18:2BO）的外部量子效率（EQE）光譜。圖中展示了在不同波長下的EQE百分比，并標示了最大吸收波長（λmax）。這些數(shù)據(jù)通常是使用Enlitech的QE-R太陽能電池光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)獲得的，用于分析材料的光電轉(zhuǎn)換效率和能隙。

這張圖（Figure S12）顯示了D18和D18:2BO在低光子能量區(qū)域的外部量子效率（EQEFTPS）光譜。圖中展示了不同能量下的EQE百分比，并標示了兩種材料的能隙尾（Eu），分別為0.039 eV和0.036 eV。此數(shù)據(jù)通常是使用Enlitech的光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)獲得的，用于分析材料的光電特性和能隙尾。

2端子全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池（TSC）的研究結(jié)果：

a. 裝置結(jié)構(gòu)：顯示了2端子全鈣鈦礦TSC的層狀結(jié)構(gòu)，包括NBG和WBG鈣鈦礦層。

b. 橫截面SEM圖像：展示了電池的橫截面結(jié)構(gòu)，顯示各層的厚度和排列。

c. J-V曲線：顯示了正向和反向掃描的電流密度-電壓特性，表現(xiàn)出良好的一致性。

d. EQE曲線：顯示了WBG和NBG子電池的外量子效率（EQE），分別為15.99和15.28 mA/cm2。

e. 穩(wěn)態(tài)功率輸出：2端子串聯(lián)太陽能電池的穩(wěn)態(tài)PCE為27.1%。

這些結(jié)果證明了2端子全鈣鈦礦TSC的高效率和穩(wěn)定性。

研究成果的結(jié)論如下：

1. 效率提升：通過在錫鉛混合窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池中引入氧氨基酸鉀鹽（OAPS），研究人員成功提高了功率

2. 穩(wěn)定性改善：OAPS的添加顯著提高了鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性，未經(jīng)封裝的設(shè)備在氮氣環(huán)境中存儲3072小時后，仍保持了91%的初始PCE。

3. 全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的性能：研究還展示了OAPS在全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池中的應(yīng)用，其中雙端子和四端子配置的效率分別達到了27.17%和28.31%。

4. 簡便的方法：OAPS的引入提供了一種簡便有效的方法來優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的性能，有助于推動該技術(shù)的商業(yè)化和實際應(yīng)用。

5. 科學嚴謹性：研究團隊通過實驗的重復(fù)性、多種表征技術(shù)、對照實驗、數(shù)據(jù)共享、同行評審和公開發(fā)表等方式，確保了研究的科學嚴謹性和可重復(fù)性。

總之，該研究提供了一種有效方法，解決了錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中的錫離子氧化問題，并通過OAPS的添加顯著提高了電池的效率和穩(wěn)定性。

SS-X 可以提供穩(wěn)定和連續(xù)的輻照度來照射被測太陽能電池，避免由于這些太陽能電池響應(yīng)時間慢而導(dǎo)致的表征錯誤。

QE-R 量子效率系統(tǒng)是一款可提供電池 EQE 的光伏電池測試儀。 系統(tǒng)被 500 多個優(yōu)秀光伏研究實驗室采用，近 10 年發(fā)表 SCI 論文 1000 余篇，包括 Nature、Science、Joule、Advanced Materials 等多家旗艦期刊。IPCE、IQE 和光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)準確快速。 QE-R 量子效率系統(tǒng)提供的量子效率信息通常被光伏研究人員用來說明和研究器件設(shè)計、器件性能、工藝改進、材料帶隙、雜質(zhì)或陷阱。

文獻參考自ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS_DOI: 10.1002/adfm.202412458

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