鈣鈦礦太陽能電池（PSC） 憑借其高效率和低成本的優(yōu)勢， 被認為是下一代光伏技術的主力軍。 但是， 鈣鈦礦材料本身的穩(wěn)定性和可控性問題， 是限制其大規(guī)模應用的關鍵因素。 近年來， 科學家們一直致力于開發(fā)更穩(wěn)定高效的鈣鈦礦太陽能電池， 并在材料、 結構、 制備工藝等方面取得了顯著的進展。
近期， 香港科技大學周圓圓教授團隊 在Nature Energy 期刊發(fā)表了重磅研究成果。 他們的研究揭示了鈣鈦礦薄膜單個晶粒表面的微觀特征， 并提出了一種全新的 “微表面工程" 策略， 以提升鈣鈦礦太陽能電池的性能。
【晶粒表面凹陷： 隱藏的效率和穩(wěn)定性殺手】
鈣鈦礦薄膜是由一個個微小的晶粒組成， 而單個晶粒的表面形狀會影響薄膜在微觀層面的性質(zhì)。 然而， 人們對晶粒表面的幾何特征鮮有研究。 周圓圓教授團隊的這項研究發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜晶粒表面存在的 “晶粒表面凹陷"（GSC）, 并揭示了 GSC 對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。
周圓圓教授 是香港科技大學化學系的教授， 她的團隊在鈣鈦礦太陽能電池和有機光電子材料領域擁有豐富的研究經(jīng)驗， 并在國際重要期刊發(fā)表了大量的科研論文。
研究團隊發(fā)現(xiàn):
鈣鈦礦薄膜晶粒表面的 GSC 主要是由晶粒生長過程中的兩種現(xiàn)象造成的:
n 雙軸拉伸應變: 當晶粒融合時， 會產(chǎn)生雙軸拉伸應變， 導致晶粒表面出現(xiàn)凹陷。
n 晶界溝槽: 隨著晶粒的長大， 晶界也會逐漸變粗， 在表面形成溝槽， 這些溝槽也可能會導致晶粒表面出現(xiàn)凹陷。
GSC 對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響非常顯著， 主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
n 影響載流子傳輸: GSC 存在于鈣鈦礦/電荷傳輸層（CTL） 的界面， 會阻礙載流子在界面處的收集， 從而降低電池效率。
n 降低界面穩(wěn)定性: GSC 會增加界面的化學和熱機械應力， 進而降低鈣鈦礦/CTL 界面的穩(wěn)定性。
【揭秘鈣鈦礦薄膜表面的奧秘-巧妙消除 “晶粒表面凹陷"， 實現(xiàn)突破性效率和穩(wěn)定性提升】
為了克服 GSC 對鈣鈦礦太陽能電池性能帶來的不利影響， 周圓圓教授團隊設計了有效的策略， 通過引入 tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium (TFSAP)， 有效地抑制了鈣鈦礦晶粒的生長， 從而減少了 GSC 的形成。
該策略的主要優(yōu)勢在于：
減少應力和缺陷: TFSAP 可以與鈣鈦礦薄膜的表面發(fā)生反應， 減緩晶粒的生長速度， 降低晶界溝槽的形成， 并抑制雙軸拉伸應力的產(chǎn)生， 從而有效地消除 GSC 的形成。
提高穩(wěn)定性和效率: 通過消除 GSC， 可以提升鈣鈦礦/CTL 界面處的電荷提取效率， 減少界面處的非輻射復合， 提升電池的穩(wěn)定性和效率。
實驗結果證實了該團隊提出的 “微表面工程" 策略的有效性。 他們利用 TFSAP 處理后的鈣鈦礦太陽能電池， 在標準的熱循環(huán)、 潮濕熱、 最大功率點跟蹤測試中， 都展現(xiàn)出了更出色的性能， 驗證了 “微表面工程" 對于提高鈣鈦礦太陽能電池的耐久性和性能的重大意義。
周圓圓教授團隊的研究揭示了鈣鈦礦晶粒表面形態(tài)對于太陽能電池性能的重要影響， 也為未來的鈣鈦礦材料和器件設計提供了全新的思路。 這項成果進一步彰顯了鈣鈦礦太陽能電池作為未來能源技術重要組成部分的潛力， 為更清潔、 更高效、 更穩(wěn)定的太陽能光伏技術的開發(fā)提供了重要的參考依據(jù)。
該團隊的研究揭示了鈣鈦礦晶粒表面 “微觀特征" 對于器件性能的重要性， 并提出一種全新的 “微表面工程" 策略， 通過分子調(diào)控手段， 有效地抑制了晶粒表面的凹陷， 最終實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。
參考文獻
Elimination of grain surface concavities for improved perovskite thin-film interfaces_Nature Energy. 15 July 2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01567-x
【本研究參數(shù)圖】
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文獻參考自Nature Energy. 15 July 2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01567-x
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