來(lái)自香港城市大學(xué)的Prof. Alex Jen研究團(tuán)隊(duì)共同完成了一項(xiàng)研究：一種雙層界面工程技術(shù)，旨在提升倒置型鈣鈦礦太陽(yáng)能組件的性能和穩(wěn)定性。Prof. Alex Jen通過(guò)結(jié)合2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計(jì)，解決了大面積太陽(yáng)能組件中常見(jiàn)的問(wèn)題，如表面缺陷的鈍化和能量水平對(duì)齊的問(wèn)題。
摘要
Prof. Alex Jen研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一種雙層界面工程技術(shù)，用于提升倒置型鈣鈦礦太陽(yáng)能組件的性能和穩(wěn)定性。具體來(lái)說(shuō)，他們使用了苯乙基銨碘化物（PEAI）和PI來(lái)形成2D/3D異質(zhì)結(jié)，并在鈣鈦礦薄膜表面形成表面偶極子，從而改善了能量水平對(duì)齊，降低了陷阱態(tài)密度，并提高了對(duì)環(huán)境壓力因素的穩(wěn)定性。此外，上層的PI層能夠在2D/3D鈣鈦礦表面上形成表面偶極子，優(yōu)化能量水平對(duì)齊。這種雙層界面工程能夠?qū)崿F(xiàn)大面積鈣鈦礦薄膜的均勻表面形態(tài)、較低的陷阱態(tài)密度以及對(duì)環(huán)境壓力因素的穩(wěn)定性。最終的器件在小面積上的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到25.20%，大面積（1 cm2）的PCE為23.96%，而組件（5×5 cm2，有效面積14.28 cm2）的PCE為23.19%，這些結(jié)果在倒置型鈣鈦礦太陽(yáng)能組件中處于水平之上。此外，器件在45℃的MPP跟蹤1280小時(shí)后仍能保持超過(guò)93%的初始效率，顯示出良好的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究為高效、穩(wěn)定的大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制造提供了寶貴的見(jiàn)解。
研究目的
本研究旨在通過(guò)雙層界面工程技術(shù)來(lái)提升倒置型鈣鈦礦太陽(yáng)能組件的性能和穩(wěn)定性。Prof. Alex Jen研究團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計(jì)，以優(yōu)化界面特性，從而實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）。研究的重點(diǎn)在于解決大面積太陽(yáng)能組件中常見(jiàn)的問(wèn)題，如表面缺陷鈍化和能量水平對(duì)齊的改善。此外，研究還探索了這種技術(shù)在大面積條件下的可擴(kuò)展性和性能保持，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析揭示了界面工程的機(jī)制，為未來(lái)高性能太陽(yáng)能電池的制造提供了寶貴的見(jiàn)解。
Fig. 4a: 展示了倒置型PSCs的裝置結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)基本的參考圖，用來(lái)描述實(shí)驗(yàn)中使用的太陽(yáng)能電池的層疊結(jié)構(gòu)。
Fig. 4b: 顯示了具有不同活性面積的PSCs的J-V曲線，這些曲線用來(lái)評(píng)估太陽(yáng)能電池的性能，包括開(kāi)路電壓（VOC）、短路電流密度（JSC）、填充因子（FF）和光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
Fig. 4d, 4e, and Fig. S11: 這些圖表展示了經(jīng)過(guò)雙層處理的PSCs的光電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，包括PCE、VOC和FF的分布情況，用以證明處理後的裝置具有良好的重現(xiàn)性和性能提升。
Fig. 4f: 這張圖顯示了PEAI和PI溶液濃度對(duì)裝置性能的影響，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，研究人員能夠確定最佳的處理?xiàng)l件。
Fig. 5a: 展示了倒置型鈣鈦礦太陽(yáng)能迷你模塊的裝置結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)擴(kuò)展到更大面積的應(yīng)用。
Fig. 5b: 顯示了經(jīng)過(guò)雙層處理的迷你模塊的J-V曲線，以及一個(gè)5 cm × 5 cm迷你模塊的照片，用來(lái)展示裝置的實(shí)際大小和性能。
Fig. 5c: 提供了一個(gè)統(tǒng)計(jì)比較，對(duì)比了小於1cm2的裝置和大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能迷你模塊的VOC和FF，展示了雙層處理策略在大面積條件下的有效性。
Fig. 5d: 顯示了PSCs在65 °C黑暗條件下的PCE隨時(shí)間的變化，用來(lái)評(píng)估裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
Fig. 5e, 5f: 這些圖顯示了在不同溫度條件下（45 °C和85 °C），封裝後的裝置的最大功率點(diǎn)（MPP）跟蹤，用來(lái)評(píng)估裝置在工作條件下的熱穩(wěn)定性。
利用QE-R 太陽(yáng)光模擬器來(lái)模擬標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)光照條件（AM 1.5G）。這些實(shí)驗(yàn)幫助研究人員評(píng)估了裝置在工作條件下的熱穩(wěn)定性。
SS-X太陽(yáng)光模擬器的AM1.5G濾光片采用先進(jìn)的等離子沉積技術(shù)制成，具有高光譜精度和出色的耐用性，使使用壽命延長(zhǎng)三倍。
研究方法
本研究的核心是通過(guò)2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計(jì)來(lái)改善太陽(yáng)能組件的性能和穩(wěn)定性。具體方法包括使用苯乙基銨碘化物（PEAI）和PI來(lái)形成2D/3D異質(zhì)結(jié)，并在鈣鈦礦薄膜表面形成表面偶極子。這種方法有助于優(yōu)化能量水平對(duì)齊，降低陷阱態(tài)密度，并提高對(duì)環(huán)境壓力因素的穩(wěn)定性。
主要發(fā)現(xiàn)和結(jié)論
Prof. Alex Jen研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種雙層界面工程技術(shù)，通過(guò)結(jié)合2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計(jì)，顯著提升了倒置型鈣鈦礦太陽(yáng)能組件的性能和穩(wěn)定性。這種技術(shù)不僅有效改善了太陽(yáng)能組件的均勻性和持久性，還解決了表面缺陷鈍化和能量水平對(duì)齊的問(wèn)題。研究結(jié)果顯示，隨著有效面積的增加，光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）從25.20%到23.96%再到23.19%，損失最小，表明該技術(shù)具有良好的可擴(kuò)展性。此外，研究還揭示了雙層界面工程的機(jī)制及其對(duì)太陽(yáng)能組件性能的影響，為制造高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了寶貴的見(jiàn)解。
文獻(xiàn)參考自Science_DOI: 10.1016/j.esci.2024.100308
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