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鈣鈦礦太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。簡(jiǎn)單的說(shuō)，太陽(yáng)光電的發(fā)電原理，是利用太陽(yáng)電池吸收400nm～1100nm波長(zhǎng)(針對(duì)硅晶)的太陽(yáng)光，將光能直接轉(zhuǎn)變成電能輸出的一種發(fā)電方式。

太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：代太陽(yáng)能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池，其在實(shí)驗(yàn)室的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.4%；第二代太陽(yáng)能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池。第三代太陽(yáng)能電池主要指具有高轉(zhuǎn)換效率的一些新概念電池, 如染料敏化電池、量子點(diǎn)電池以及有機(jī)太陽(yáng)能電池等。

鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池（perovskite solar cells），是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽(yáng)能電池，屬于第三代太陽(yáng)能電池，也稱作新概念太陽(yáng)能電池，是《科學(xué)》雜志評(píng)選的2013年度科技突破之一，是一種有望進(jìn)一步降低光伏發(fā)電價(jià)格的新型光伏體系。目前鈣鈦礦太陽(yáng)電池發(fā)展現(xiàn)狀良好，但仍有若干關(guān)鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽(yáng)電池的發(fā)展，其中關(guān)鍵問(wèn)題之一是電池的穩(wěn)定性問(wèn)題。

鈣鈦礦電池技術(shù)新發(fā)展—新型鈍化技術(shù)

近年來(lái)，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）的能量轉(zhuǎn)化效率顯著提高，從2009年的3.8%提升至2018年的23.7%，這得益于鈣鈦礦電池吸光系數(shù)高、載流子遷移率高、載流子壽命長(zhǎng)等令人著迷的光學(xué)和電子特性。不僅如此，制作工藝簡(jiǎn)單、材料成本低廉，也使它成為目前有應(yīng)用前景的新型太陽(yáng)能電池器件之一。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)-有機(jī)混合型鈣鈦礦甲an鉛碘（MAPbI3）材料對(duì)于水、氧非常敏感。除此之外，鈣鈦礦太陽(yáng)能薄膜電池各功能層之間存在界面缺陷，這些缺陷會(huì)引起鈣鈦礦分解，降低器件的穩(wěn)定性，加速器件老化。因此，如何減少或鈍化器件中的缺陷對(duì)于制備高性能、高穩(wěn)定性電池至關(guān)重要。

根據(jù)不同的鈍化位置和鈍化目的，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的鈍化技術(shù)可以分為以下幾類：

1、電子傳輸層與鈣鈦礦層。大多數(shù)高性能的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池采用TiO2作為電子傳輸層，但TiO2是很好的光催化劑，會(huì)加速器件性能衰減?？梢酝ㄟ^(guò)物理隔離電子傳輸層和鈣鈦礦層，提高器件的穩(wěn)定性。同時(shí)，TiO2與鈣鈦礦層的缺陷可能導(dǎo)致器件的光伏回滯特性，采用I主族金屬元素、氯化物、聚合物摻雜等方法可以減少激子復(fù)合和回滯。

2、鈣鈦礦層和空穴傳輸層。鈣鈦礦層和空穴傳輸層之間由于懸空鍵的存在，鈣鈦礦表面存在大量缺陷，激子復(fù)合率高。通過(guò)在兩層間加入一超薄的PMMA層或Al2O3層，可以有效鈍化界面，阻擋激子復(fù)合并提升器件性能。

3、鈣鈦礦層本身。在鈣鈦礦層中加入含陽(yáng)離子的憎水大分子，保護(hù)鈣鈦礦層，避免水汽侵入，從而提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的濕穩(wěn)定性。

北京大學(xué)物理學(xué)院的趙清教授課題組在之前發(fā)展的籽晶誘導(dǎo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)的界面優(yōu)化，通過(guò)分別控制有機(jī)胺鹽(NH2CHNH2I/CH3NH3Br)在碘化鉛（PbI2）上的反應(yīng)深度，鈣鈦礦的分解程度，以及鈣鈦礦表面的溶劑處理，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的頂部、底部以及晶界處PbI2的形成這一系列的鈍化。得到穩(wěn)態(tài)輸出效率超過(guò)了22%，穩(wěn)態(tài)開(kāi)路電壓1.15V（相對(duì)于帶隙寬度損耗僅為0.38V）的鈣鈦礦電池，基本為1.53eV帶隙鈣鈦礦電池的開(kāi)路電壓損失。通過(guò)時(shí)間分辨的熒光檢測(cè)以及詳細(xì)的阻抗譜分析，證實(shí)PbI2和鈣鈦礦的界面是一個(gè)缺陷非常少的界面，幾乎可以和Si/SiO2界面相媲美。（相關(guān)工作發(fā)表在Solar RRL（DOI: 10.1002/solr.201800296）上。）

非鈍化、單面鈍化與雙面鈍化對(duì)比圖

中科院化學(xué)研究所胡勁松研究員課題組與于貴研究員課題組及天津大學(xué)化工學(xué)院馮亞青教授課題組合作發(fā)表了題目為“High-Mobility Hydrophobic Conjugated Polymer as Effective Interlayer for Air-Stable Efficient Perovskite Solar Cells”的文章。本文介紹了一種通過(guò)引入高遷移率疏水共軛高分子界面層來(lái)解決空穴傳輸層添加劑導(dǎo)致器件不穩(wěn)定問(wèn)題并同時(shí)改善器件轉(zhuǎn)換效率的方法。研究人員在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的鈣鈦礦層與傳統(tǒng)空穴傳輸層（Spiro-OMeTAD）間引入一種具有高遷移率的疏水共軛高分子（PD-10-DTTE-7）界面層，顯著提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的空氣穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率（相關(guān)工作在線發(fā)表在Solar RRL（DOI: 10.1002/solr.201800232）上）

石墨炔是一種sp和sp2雜化的π共軛體系的二維材料，n型半導(dǎo)體特性，且擁有適當(dāng)?shù)膸丁⒏唠娮討B(tài)密度及良好的疏水性。中科院物理研究所孟慶波課題組與化學(xué)研究所李玉良課題組在這一領(lǐng)域開(kāi)展深入合作，將石墨炔引入到了FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3鈣鈦礦膜中，構(gòu)建了石墨炔/鈣鈦礦體相異質(zhì)結(jié)薄膜。在此基礎(chǔ)上，制備了、水穩(wěn)定性優(yōu)異的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。實(shí)驗(yàn)表明，鈣鈦礦/石墨炔體相異質(zhì)結(jié)促進(jìn)了激子分離并提高光生電子的抽取能力，提升了電子傳輸能力，電池的短路電流升高。另外，石墨炔的引入鈍化了晶界和界面缺陷，有效地抑制了光生載流子的復(fù)合，獲得了相對(duì)較高的填充因子，以及20.54%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，基于石墨炔/鈣鈦礦體相異質(zhì)結(jié)的鈣鈦礦薄膜的抗?jié)裥缘玫矫黠@提升。（相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201802012）上。）

卓立漢光為鈣鈦礦電池測(cè)試提供特殊定制樣品臺(tái)

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池除兩端電外，功能層分為空穴傳輸層（NiOx）、鈣鈦礦層（CH3NH3PbI3）以及電子傳輸層（ZnO）。太陽(yáng)光從ITO玻璃面入射，電在入射光背面，稱為背電結(jié)構(gòu)。陰為Al、陽(yáng)為ITO。

卓立漢光針對(duì)這種背電結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供定制樣品探針臺(tái)，QE-F6-D。由于不同客戶制作的電池尺寸和電位置不同，因此卓立漢光針對(duì)每個(gè)客戶的電池尺寸及電位置量身定做樣品臺(tái)，達(dá)到電接觸良好、不遮光、不易損壞ITO膜及同一樣品上不同電池塊輸出的快速切換。

QE-F6-D使用簡(jiǎn)單，只需三步就可以完成樣品安裝：

1、解鎖打開(kāi)上蓋；

2、ITO面朝上放入樣品臺(tái)；

3、扣上蓋鎖好，旋轉(zhuǎn)旋鈕選擇不同電池片的電流輸出；

鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)                           QE-F6-D 樣品探針臺(tái)                                                    

卓立漢光提供全套鈣鈦礦電池測(cè)試系統(tǒng)

1、IV系統(tǒng)

功能：測(cè)量太陽(yáng)能電池短路電流、短路電流密度、開(kāi)路電壓、功率、功率電流、功率電壓、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率、正反向調(diào)速掃描與暗電流扣除功能。

特點(diǎn)：AA*太陽(yáng)光模擬器，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性好（不穩(wěn)定度＜0.8%）可用于長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試，模擬器光出口四個(gè)方向可調(diào)滿足客戶樣品在手套箱里面的測(cè)試需求，出光口遙控光闌片方便遮光更換樣品。

系統(tǒng)組成：太陽(yáng)光模擬器、標(biāo)準(zhǔn)單晶硅太陽(yáng)電池（中國(guó)計(jì)量研究院標(biāo)定）、吉時(shí)利2400源表、樣品探針臺(tái)、IV軟件。

圖引自Constructing CsPbBr3 Cluster Passivated-Triple Cation Perovskite for Highly Efficient and Operationally Stable Solar Cells.

2、QE系統(tǒng)

功能：光譜響應(yīng)度、外量子效率、內(nèi)量子效率、反射率、透射率、積分短路電流密度、光束誘導(dǎo)電流。

特點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果重復(fù)性高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可重復(fù)，自動(dòng)化測(cè)試流程高簡(jiǎn)化測(cè)試員工作、測(cè)試出錯(cuò)率低，系統(tǒng)小光斑直徑小于1mm滿足小面積電池的測(cè)試需求，高穩(wěn)定性高強(qiáng)度光源不同重復(fù)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器，節(jié)省測(cè)試時(shí)間，高強(qiáng)度光源充分激發(fā)電池效率，測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確，全反射光路無(wú)色差測(cè)試結(jié)果無(wú)偏差。

圖引自Efficient Perovskite Solar Cells Fabricated Through CsCl-Enhanced PbI2 Precursor via Sequential Deposition.