鈣鈦礦太陽能電池（PSC）憑借其高效率、低成本、易制備等優(yōu)勢， 成為近年來光伏領域具潛力的下一代光伏技術之一。 但目前， 鈣鈦礦太陽能電池的小尺寸器件已取得重大突破， 但在向大面積模塊化生產(chǎn)發(fā)展過程中仍存在不少挑戰(zhàn)。 制備大面積模塊需要更長的時間， 這對薄膜的沉積和制備工藝提出了更高要求， 同時也對材料的穩(wěn)定性和加工窗口提出了挑戰(zhàn)。

近三年來，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊化的研究進程主要集中在提高效率、穩(wěn)定性和可制造性方面。

研究進程

l  效率提升

2021年：研究人員實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池的效率突破，將小面積器件的轉換效率提升至25%以上。
2022年：大面積模塊的轉換效率也取得了顯著進展，一些研究團隊報告了10x10厘米模塊效率超過20%的成果。

2023年：繼續(xù)優(yōu)化材料和制造工藝，一些大規(guī)模制造商宣布其生產(chǎn)線上的大面積鈣鈦礦模塊效率接近商業(yè)化應用標準。

l  穩(wěn)定性改進

材料工程: 研究人員通過添加劑和界面工程技術顯著提高了鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，減少了光、熱和濕氣對材料的降解。

封裝技術: 先進的封裝技術被開發(fā)出來，能夠有效保護鈣鈦礦層，提高模塊的長期穩(wěn)定性。

l  制造工藝

噴涂和印刷技術: 噴涂和印刷技術的發(fā)展使得大面積鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)成為可能，降低了制造成本并提高了生產(chǎn)速度。

全溶液處理: 全溶液處理工藝被優(yōu)化，用于制備均勻的大面積鈣鈦礦薄膜，進一步推動了模塊化生產(chǎn)。

研究瓶頸

l  長期穩(wěn)定性: 盡管有進展，但鈣鈦礦材料在長期暴露于環(huán)境條件下的穩(wěn)定性仍然是一個挑戰(zhàn)。需要進一步研究改進材料組成和封裝技術，以確保模塊在長時間使用中的性能不下降。

l  大規(guī)模生產(chǎn)一致性: 在大規(guī)模生產(chǎn)過程中，如何確保每個模塊的一致性和高質量仍然是一個重要課題。生產(chǎn)線的標準化和質量控制需要進一步優(yōu)化。

l  環(huán)境友好性: 鈣鈦礦材料中常用的鉛元素對環(huán)境和健康有潛在危害，如何開發(fā)無鉛鈣鈦礦材料或者回收利用鉛是當前的重要研究方向。

l  界面問題: 鈣鈦礦層與電極之間的界面問題可能導致電池效率下降和穩(wěn)定性降低。界面工程和新型界面材料的研究仍需深入。

近日，由西安電子科技大學常晶晶教授，聯(lián)合洛桑理工學院 Mohammad Khaja Nazeeruddin 教授團隊和西北工業(yè)大學李禎教授團隊在Energy & Environmental Science 雜志發(fā)表了突破性研究成果。 該團隊通過巧妙地將 N-甲基-2-吡咯烷酮溶劑與冷卻策略相結合， 在兩步沉積法中獲得了更穩(wěn)定的基于 FA 的鈣鈦礦中間相， 從而實現(xiàn)了更長的退火窗口。

【冷卻穩(wěn)定中間相： 為鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊化生產(chǎn)照亮曙光】

該團隊采用一種創(chuàng)新策略， 在兩步沉積法的制備過程中， 通過將 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 溶劑與冷卻策略相結合， 使 FA 基鈣鈦礦中間相能夠更加穩(wěn)定地存在。 這一策略將鈣鈦礦材料的退火窗口擴展了 20 倍 (從 9 分鐘到 180 分鐘)。 他們發(fā)現(xiàn)， 將中間相冷卻至接近 0°C 的低溫環(huán)境， 可以有效抑制 δ-相 FAPbI3 的形成， 從而大幅度延長鈣鈦礦中間相的穩(wěn)定時間。

這一技術突破， 使研究團隊能夠成功地在 45 cm2 的大面積基板上制備出均勻的鈣鈦礦薄膜。 此外， 采用這種方法制備的鈣鈦礦太陽能電池微型模塊實現(xiàn)了高達 22.34% 的效率， 經(jīng)過認證的效率為 21.51%。 更重要的是， 即使在 180 分鐘的退火延遲時間后， 該模塊仍能保持 20.89% 的不錯效率， 充分體現(xiàn)了該方法對于制造高效鈣鈦礦太陽能電池的超長工藝窗口優(yōu)勢。

【推動鈣鈦礦太陽能技術走向應用】

研究團隊的成果充分體現(xiàn)了穩(wěn)定鈣鈦礦中間相在促進鈣鈦礦太陽能電池模塊化生產(chǎn)方面的重要性。 該策略為高效、穩(wěn)定、大面積鈣鈦礦太陽能電池的制備帶來了巨大的機遇， 有望推動鈣鈦礦太陽能電池技術走向工業(yè)化應用。

總結:

該團隊通過將 N-甲基-2-吡咯烷酮溶劑與冷卻策略相結合， 成功地穩(wěn)定了 FA 基鈣鈦礦中間相， 大幅度擴展了制備工藝的時間窗口， 使得鈣鈦礦太陽能電池能夠在更寬松的條件下進行制備， 為大面積模塊的制造提供了可靠的解決方案。 他們的研究為鈣鈦礦太陽能電池的實際應用打開了新的視野， 推動了這一領域的發(fā)展。

通過解決穩(wěn)定性、一致性和環(huán)境友好性等挑戰(zhàn)， 鈣鈦礦太陽能電池最終將能夠實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應用， 成為未來能源的重要組成部分。

重要技術參數(shù)：

l   鈣鈦礦太陽能電池模組效率: > 22.34%

l   關鍵技術： 冷卻穩(wěn)定中間相， 擴大工藝窗口

l   關鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀

研究團隊介紹

常晶晶

常晶晶教授，西安電子科技大學微電子學院教授、博士生導師。研究方向主要包括有機電子器件、鈣鈦礦太陽能電池以及其他新型光電器件。在光電子材料與器件領域，常晶晶教授發(fā)表了多篇高影響力的學術論文，主持和參與了多項科研項目，取得了顯著的研究成果。致力于探索高效、穩(wěn)定的新型光電材料和器件。常晶晶教授在國際學術界享有盛譽，并積極參與國際學術交流與合作。

Mohammad Khaja Nazeeruddin

Mohammad Khaja Nazeeruddin教授，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）化學系教授，鈣鈦礦太陽能電池研究專家。他的研究涵蓋鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、光伏器件和能源材料等領域。Nazeeruddin教授在頂級學術期刊上發(fā)表了超過600篇論文，引用次數(shù)超過100,000次，是光伏研究領域的人物。他的研究成果推動了高效鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展，并獲得了多項國際大獎和榮譽稱號。Nazeeruddin教授在國際學術界具有廣泛影響力，積極參與全球科研合作和交流。

李禎

李禎教授，現(xiàn)任西北工業(yè)大學教授、 博士生導師，高層次青年人才。主要從事柔性鈣鈦礦太陽能電池相關的應用基礎研究，在《Nat. Rev. Mater.》《Energy Environ. Sci.》《Adv. Energy Mater.》《ACS Nano》等能源和材料領域的重要國際期刊累計發(fā)表SCI論文100余篇，其中ESI高被引論文9篇，論文引用15000余次，H因子49；主持國家自然科學基金面上、空天動力陜西實驗室課題等項目10余項。擔任中國能源學會新能源專委會委員和物理化學學報青年編委等學術兼職。研究主要集中于太陽能電池材料和器件的制備、 表征以及性能研究， 以及相關材料的理論計算模擬。 他在能源與環(huán)境領域做出了突出的貢獻， 并在國際著名期刊發(fā)表了多篇高水平論文。

參考文獻

Efficient perovskite solar modules with an ultra-long processing window enabled by cooling stabilized intermediate phases _ Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01147C

【本研究參數(shù)圖】

Fig S23.  對照組和目標 PSC 的 EQE 光譜。

上述研究數(shù)據(jù)來自光焱科技 _ QE-R 光伏/太陽能電池 EQE 完整解決方案

Fig. S26 FAPbI3@D/D 和 FAPbI3@D/N 器件 (有效面積 1.00 cm2) 在最大功率點測試的穩(wěn)態(tài)電流密度和 PCE。

Fig. S27 在黑暗氮氣氣氛下儲存的大面積 FAPbI3@D/N 器件的長期穩(wěn)定性。

Fig. S28 在不同溫度下退火 120 分鐘的鈣鈦礦薄膜的效果。 (a) FAPbI3@D/D 和 (b) FAPbI3@D/N 的俯視圖 SEM 圖像。 (c) FAPbI3@D/D、(d) FAPbI3@D/N 薄膜的 XRD 圖樣和 (e) 鈣鈦礦 (110) 相對 PbI2 的峰值強度比。 (f) FAPbI3@D/D 和 (g) FAPbI3@D/N 的 PL 光譜。 (h) 衍生自 FAPbI3@D/D 和 FAPbI3@D/N 薄膜的器件的 PCE 變化。 誤差線由六個獨立的電池獲得。

推薦設備

 QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案

具有以下特色優(yōu)勢：

l   高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準光源，確保 EQE 測量的準確性和可靠性。

l   寬光譜范圍:QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。

l   快速測量:QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進行 EQE 光譜測量。

l   易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學者也能輕松上手。

l   多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進行 EQE 測量，還可以進行反射率、透射率等光學特性的測量，具有多功能性。

文獻參考自Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01147C

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