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【顶刊动态】从AM/AFM/JACS期刊发文看太阳能电池最新进展

来源：科学10分钟时间：2022-01-11 19:22:09 浏览：1871次

引言

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，又称为“太阳能芯片”或“光电池”，在物理学上称为太阳能光伏。其基本原理是，当太阳光照在半导体p-n结上时，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就可产生电流。

目前，太阳能电池主要以半导体材料为基础，根据太阳能电池的基本特性，可以将其划分为硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；功能高分子材料制备的太阳能电池；纳米晶太阳能电池等几大类。随着传统化石能源的枯竭，对太阳能、生物质能等绿色新能源的开发迫在眉睫，对太阳能电池的研究也逐渐成为当前学术领域的焦点之一。

国内外许多太阳能电池领域的工作者共同推进了该领域的发展，鉴于此，笔者一览国内外顶级期刊上近期对太阳能电池的研究，介绍解读了其中部分有关太阳能电池的最新研究成果，希望能给相关科研工作者带来一丝启发。

最新成果速览

Advanced Materials：17.6%效率！基于三维氯化网络受体的准平面异质结有机太阳能电池

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102778

随着光伏材料的创新和器件工艺的优化，本体异质结（BHJ）有机太阳能电池的能量转换效率（PCE）在逐步提升，展现出良好的应用前景。但是BHJ结构的活性层薄膜形态调控是非常精确和复杂的过程。由于在旋涂过程中给体和受体的自组装和聚集，为了获得最佳的BHJ薄膜形貌，必须进行各种器件工艺优化。

对于一些高效的光伏材料体系，在某些溶剂中相容性不好时，采用BHJ器件结构会产生较差的光伏性能，不能完全体现材料的优异性。对于这类具有良好光伏性质的特殊材料，就需要采用平面异质结（PHJ）器件结构。含有给/受体材料的PHJ活性层通常采用连续旋涂的工艺，由于溶剂的溶胀和分子的扩散，PHJ薄膜的中间连接处可能会产生微小的纳米级体异质结（BHJ）区域。

因此，研究者们将该结构定义为准平面异质结（Q-PHJ）。虽然目前Q-PHJ有机太阳能电池的效率落后于BHJ器件，但其仍然具有一定的优势。

有鉴于此，南方科技大学何凤教授团队^[^1]基于聚合物给体D18和受体BTIC-BO-4Cl，制备了PCE高达17.6%的Q-PHJ有机太阳能电池，是目前报道过的该类型器件结构的最高效率之一。

鉴于激子的扩散距离和解离是制约Q-PHJ 器件效率的关键因素。为了研究激子的解离效率，作者测定了BTIC-BO-4Cl纯膜、BHJ和Q-PHJ共混膜的光致发光(PL)猝灭光谱和瞬态吸收光谱，结果表明D18和BTIC-BO-4Cl的激子扩散距离分别为33.2和41.2 nm，满足高性能Q-PHJ器件的激子扩散条件。最后，经过器件工艺的优化，BHJ器件的PCE仅为14.05%，而Q-PHJ器件的PCE高达17.6%，性能提升的主要因素来自于短路电流和填充因子的显著增强。

该研究表明在某些独特的光伏材料体系中，Q-PHJ结构可以取代BHJ结构制备性能优异的有机太阳能电池，为光伏材料的设计和器件制备提供新的研究思路。

图1 D18和BTIC-BO-4Cl的分子结构及电荷运输示意图

图2 BHJ器件和Q-PHJ器件的性能

Advanced Functional Materials：宽带隙钙钛矿界面工程用于高效钙钛矿/CZTSSe串联太阳能电池

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202107359

随着钙钛矿组分和制备工艺的发展，单节钙钛矿太阳电池的光电转换效率已经超过了25%，展现出巨大的商业化潜力。为了进一步突破单节太阳能电池的理论效率极限，基于叠加窄带隙的吸收层（比如铅锡混合钙钛矿、晶体硅电池以及过渡金属化合物电池）的宽带隙钙钛矿电池由于可以更加充分地利用太阳光，被研究者们视为一种非常有效的策略。所以，实现领域突破的核心环节之一就是制备高效率和高稳定性的宽带隙钙钛矿太阳能电池（E_g ≈ 1.6-1.9 eV）。

但是，宽带隙钙钛矿电池普遍面临着开路电压（V_OC）损失较大的问题，这主要是由于钙钛矿内部和表面较高的缺陷态密度以及界面间电荷的复合损失，从而限制了叠层电池效率的进一步提高。

有鉴于此，香港城市大学Alex教授、南开大学张毅教授及南方科技大学徐保民教授团队^[^2]联合报道了一种对于宽带隙钙钛矿电池简单有效的界面修饰策略。该团队通过沉积二维钙钛矿层ODAPbI₄在空穴传输层PTAA一侧诱导形成了超薄的准二维钙钛矿，这一缓冲层的形成不仅能够促进空穴在界面处的抽取和收集，还能改善上层宽带隙钙钛矿的晶体生长，从而有效地抑制了由于高密度的离子缺陷和界面空穴-电子复合导致的非辐射复合损失。

相应地，优化后的宽带隙钙钛矿电池（E_g ≈ 1.66 eV）最终实现了21.05%的能量转换效率和1.23 V的开压电路，其中0.43 V的开路电压损失也是目前报道的宽带隙钙钛矿器件的最低开压损失之一。基于这一策略，作者将优化后的宽带隙钙钛矿电池做成半透明器件，与窄带隙的CZTSSe底电池组成叠层电池，实现了22.27%的光电转换效率，这一效率均高于单节的钙钛矿和CZTSSe电池。外量子效率（EQE）图谱展示了两部分电池对于太阳能光谱的利用占比，最终积分得到的短路电流也与J-V测试得到的短路电流相匹配。这项工作为全溶液法、低成本和高效率的叠层电池的制备开拓了新的思路。

图3 利用ODAPbI₄夹层构建准二维钙钛矿界面示意图及基本的结构表征

图4 制备的宽带隙钙钛矿电池的性能

Advanced Functional Materials：一种可大规模制备柔性钙钛矿电池的新方法

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107726

得益于钙钛矿太阳电池独特的光物理特性、低能耗的制造工艺、柔性设备的兼容性以及针对不同应用场景的使用模式，其商业化潜力日益突出。在近十几年以来，随着科研工作者们的大力投入，不断推动并刷新记录效率，其单节认证效率已经达到25.5%，满足商业化使用的标准。

然而，长期稳定性和大面积加工技术仍是钙钛矿太阳电池商业化应用的严峻挑战，尤其是将结晶质量与器件结构优化转移到柔性大面积印刷上来。因此，如果想推动柔性钙钛矿太阳能电池走向商业化的道路，就必须解决这两个方面的科学问题。此外，高质量的钙钛矿晶体表面处仍存在着高活性的悬挂键，这种纳米级缺陷对于钙钛矿器件的长期稳定性带来了诸多弊端。

有鉴于此，南昌大学陈义旺教授团队和暨南大学李风煜教授团队^[^3]提出了一种多尺度的缺陷策略来实现大面积柔性钙钛矿的加工制备。研究发现，当醋酸甲胺（MAAc）作为墨水辅助剂（IAS）引入到前驱体溶液中，可以有效调控钙钛矿胶体粒子的聚集行为。

作者利用通过原位光学显微镜观测，发现存在于参考样品中较大尺寸的胶体粒子消失，这种被抑制的胶体粒子聚集行为可以有效地提高前驱体溶液的过饱和浓度阈值，继而实现了多位点的同时成核以及更均匀的结晶质量。随机点位的紫外吸收测试同样验证了这一观点。

此外，作者通过预先沉积4-氯苯磺酸（Cl-BSA）于电极表面，实现了更稳定的钙钛矿界面，密度函数理论模拟计算和缺陷态密度测试表明界面处的缺陷得到了有效的钝化。最终，基于1.01 cm²的刮涂器件得到了18.12%的光电转换效率，且在空气气氛中稳定性大幅提升。作者相信，这种多尺度缺陷修复策略为大面积柔性钙钛矿太阳能电池提供了均质性和稳定性的集成设计理念。

图5 实验过程原理示意图

图6 制备的柔性钙钛矿器件的性能

JACS：有机染料敏化/Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿异质结太阳能电池

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c07200

钙钛矿材料中铅元素限制了其商业化应用，开发新的非铅钙钛矿材料能够从根本上解决有毒元素对人类生命健康的威胁。作为非铅钙钛矿材料中的重要一员，双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆具有良好的光电性能和稳定性，是一种潜在的太阳能电池光敏材料。然而受制于本身较大的带隙，Cs₂AgBiBr₆只能吸收波长小于550 nm的光子，应用其制备的太阳能电池的光电转化效率仍然很低。

有鉴于此，吉林大学王晓峰教授团队^[^4]选取了三种商业化的吲哚染料D102、D131和D149，分别用其去敏化二氧化钛电子传输层，并结合Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿，制备了相应的染料敏化/双钙钛矿异质结太阳能电池，同时制备了染料敏化太阳能电池和双钙钛矿太阳能电池作为参照。

研究发现，异质结太阳能电池的光电流密度高于相应的染料敏化太阳能电池以及双钙钛矿太阳能电池。其中，基于D149/Cs₂AgBiBr₆异质结的电池获得了高达8.24 mA/cm²的短路电流密度和最高4.23%的光电转化效率。

为了探究电池内部的电荷传输方式，作者制备了无空穴传输层和无空穴传输层/钙钛矿层的器件。测试结果表明，当只去掉空穴传输层时，相较于异质结太阳能电池，尽管电池的各项光电参数都有所降低，但是电池大体上仍能够继续工作；而当同时去掉空穴传输层和双钙钛矿层后，电池基本上不再能继续工作，说明在这个异质结太阳能电池体系中，Cs₂AgBiBr₆能够起到传输空穴的作用，即吲哚染料中位于激发态的空穴能够经由Cs₂AgBiBr₆的子带隙传出。

此外，作者还分析了染料/双钙钛矿异质结太阳能电池的暗态电流-电压关系并进行了电化学阻抗等测试，发现D102和D149的引入使得电池内部的电荷传输更加高效，内部的载流子复合情况也受到了抑制。这项工作对将染料敏化太阳能电池与双钙钛矿太阳能电池相结合并构筑具有高效吸收的吲哚染料/双钙钛矿异质结太阳能电池提供了指导。

图7 D102、D131和D149的分子结构

图8 基于D149/Cs₂AgBiBr₆异质结的电池稳定性

参考文献

[1] Hui Chen, Tingxing Zhao, Long Li, et al. 17.6%-Efficient Quasiplanar Heterojunction Organic Solar Cells from a Chlorinated 3D Network Acceptor. Adv. Mater. 2021, 33, 2102778. DOI: 10.1002/adma.202102778.

[2] Deng Wang, Hongling Guo, Xin Wu, et al. Interfacial Engineering of Wide-Bandgap Perovskites for Efficient Perovskite/CZTSSe Tandem Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2021, 2107359. DOI: 10.1002/adfm.202107359.

[3] Zhi Xing, Suyu Lin, Xiangchuan Meng, et al. A Highly Tolerant Printing for Scalable and Flexible Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2021, 2107726. DOI: 10.1002/adfm.202107726.

[4] Baoning Wang, Na Li, Lin Yang, et al. Organic Dye/Cs₂AgBiBr₆ Double Perovskite Heterojunction Solar Cells. Journal of the American Chemical Society 2021 143 (36), 14877-14883. DOI: 10.1021/jacs.1c07200.

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