全鈣鈦礦最高認證效率達28%，邁向產業化路上的攔路虎有哪些？

鈣鈦礦太陽能電池，是采用具有鈣鈦礦晶體結構的有機無機雜化物的金屬鹵化物半導體作為吸光層材料的電池，屬于第三代光伏電池。

作為一種新型功能材料，短短十年時間內，其光電轉換效率從最初的3.8%快速提升至25%以上，已經趕上甚至超過傳統硅基太陽能電池，其光電器件表現出制備工藝簡單、低成本、柔性性能優異、光電性能突出等優勢，作為光電明星材料在下一代發光、光伏及探測領域極具應用前景。

鈣鈦礦電池雖然有諸多優點，但是在邁向產業化的道路上仍然有很多問題需要克服，例如穩定性因素和大面積制備的問題等。其中穩定性的制約因素較多，主要有內在因素（濕度，氧氣）、外在因素（光照，偏壓，加熱等）以及本征不穩定性（離子遷移，晶界應力，金屬-鈣鈦礦反應等）。

針對效率，穩定性，大面積加工，應用/成本等鈣鈦礦材料發展路上的攔路虎，小編整理總結了幾位大佬的科研成果供大家參考。

1.效率：南京大學譚海仁課題組全鈣鈦礦最高認證效率達28%。

“雙碳”目標是我國重大戰略決策，而發展清潔低成本的太陽能光伏發電，則是實現這一戰略目標的重要途徑與技術保障。南京大學譚海仁教授課題組圍繞“全鈣鈦礦疊層太陽能電池”這一國際前沿科學領域開展了系統深入的研究。近期，譚海仁老師團隊在全鈣鈦礦疊層電池領域取得最新進展，經日本電氣安全和環境技術實驗室（JET）國際權威認證的轉換效率高達28.0%，首次超越了傳統晶硅電池。

與單結鈣鈦礦太陽能電池相比，全鈣鈦礦串聯太陽能電池有望實現更高的功率轉換效率（PCE），同時保持較低的制造成本。然而，它們的性能在很大程度上仍然受到Pb-Sn混合窄帶隙鈣鈦礦子電池性能不佳的制約，這主要是由于鈣鈦礦薄膜表面的陷阱密度較高。雖然使用混合2D/3D鈣鈦礦的異質結可以減少表面復合，但這種常見的策略會導致傳輸損耗，從而限制器件的填充系數。
 

圖2. 3D/3D雙層鈣鈦礦異質結結構及窄帶隙鈣鈦礦電池光伏性能。a,含有3D/3D雙層鈣鈦礦異質結（PHJ）的窄帶隙鈣鈦礦電池器件結構。b,3D/3D雙層鈣鈦礦異質結的截面HR-STEM圖和相應的EDX圖。c,PHJ鈣鈦礦薄膜的飛行時間二次離子質譜圖。d,對照器件（control）和PHJ窄帶隙鈣鈦礦電池的光伏性能統計圖。e,最佳性能PHJ鈣鈦礦電池的J-V曲線。DOI:
10.1038/s41586-023-06278-z

基于此，譚海仁教授課題組在Pb-Sn鈣鈦礦/電子傳輸層界面開發了一種具有II型能帶結構的不混溶3D/3D雙層鈣鈦礦異質結，以抑制界面非輻射復合并促進電荷提取。雙層鈣鈦礦異質結是通過混合蒸發/溶液處理方法在混合Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦頂部沉積一層鉛鹵化物寬帶隙鈣鈦礦形成的。這種異質結構使我們能夠將具有1.2µm 厚吸收層的Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的PCE提高到23.8%，同時具有0.873V的高開路電壓(Voc)和82.6%的高填充因子。因此，我們證明全鈣鈦礦串聯太陽能電池的PCE達到創紀錄的28.5%（認證為28.0%）。在模擬單太陽光照下連續運行600小時后，封裝的串聯器件仍能保持90%以上的初始性能。

2.穩定性：蘇州大學李耀文課題組在高效穩定、環境友好的鈣鈦礦太陽能電池及組件方面的新進展

近年來，鈣鈦礦太陽能電池發展迅猛，其認證效率已經突破26.1%。使用非摻雜HTLs是穩定n-i-p pero-SCs的關鍵。然而，這些HTL材料通常需要使用有毒溶劑氯苯（CB）進行加工，不適合工業生產。而使用綠色溶劑時，由于HTL材料在溶劑中的溶解度有限，導致薄膜形貌不理想，會大幅犧牲器件性能。為了解決這一問題，蘇州大學李耀文教授等人通過引入不對稱極性低聚乙二醇（OEG）側鏈，設計了一種非對稱線性有機小分子BDT-C8-3O。
 

圖3.(a)BDT-DC8和BDT-C8-3O的分子結構。(b)BDT-DC8和BDT-C8-3O的薄層色譜實驗的Rf值和水接觸角測量。(c)漢森空間示意圖及利用其來評估溶質和溶劑在三維坐標系中的溶解情況。(d)BDT-DC8和(e)BDT-C8-3O的漢森溶解度參數。
DOI:10.1002/anie.202312231

這種方法不僅克服了在綠色溶劑中的溶解度限制，還能將共軛主鏈以兩種模式堆疊，從而進一步提高結晶度和空穴遷移率。因此，基于氯苯或綠色（天然化合物）溶劑3-甲基環己酮加工的BDT-C8-3O HTL 的ni-p鈣鈦礦太陽能電池不含任何摻雜劑，其功率轉換效率分別達到了24.11%（認證值為23.82%）和23.53%，創下了世界紀錄。這些器件還表現出卓越的工作穩定性和高溫穩定性，在2000小時內分別保持了超過84%和79.5%的初始效率。令人鼓舞的是，不含摻雜劑的BDT-C8-3O HTL 在大面積制造方面具有顯著優勢，即使在使用綠色溶劑加工時，5×5平方厘米模塊（有效面積：15.64平方厘米）的PCE也超過了20%。

3.大面積加工：華中科技大學陳煒課題組——高效率薄膜太陽能組件中刮涂大面積、高質量鈣鈦礦薄膜所需的溶劑體系

在過去的近十年，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）取得了顯著進展。該類型的薄膜電池一直是近年光伏技術的重點，顯示出巨大的商業化潛力。然而，為滿足實際應用需求，將小面積PSC過渡到大面積太陽能組件仍然是一個重大挑戰。因而簡單、可重復的工藝大規模生產高質量鈣鈦礦薄膜對于解決這個問題至關重要。