【研究背景】

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是一種具有高效率、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的太陽(yáng)能電池。然而，由于A位陽(yáng)離子的分離，導(dǎo)致了組成不均勻的問(wèn)題，可能對(duì)電池的光電性能產(chǎn)生不利影響。在過(guò)去的研究中，研究人員嘗試使用Cs陽(yáng)離子來(lái)改善鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能，但是Cs陽(yáng)離子的分離問(wèn)題引發(fā)了人們對(duì)電池穩(wěn)定性的擔(dān)憂。

【關(guān)鍵問(wèn)題】

Cs陽(yáng)離子在過(guò)氧化物薄膜中分離會(huì)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.分布不均勻：Cs陽(yáng)離子傾向于在包晶體薄膜底部聚集和分離，導(dǎo)致陽(yáng)離子在整個(gè)薄膜中分布不均。

2.成分不均勻性：Cs陽(yáng)離子的分離會(huì)導(dǎo)致包晶體薄膜內(nèi)從貧銫到富銫的梯度相分布，從而影響太陽(yáng)能電池的整體成分和性能。

3.晶格失配：Cs和其他陽(yáng)離子（如甲脒）之間的尺寸差異會(huì)造成晶格失配，導(dǎo)致平面外晶格畸變，進(jìn)一步加劇了包晶體薄膜的不均勻性。

4.穩(wěn)定性問(wèn)題：Cs陽(yáng)離子的分離可能會(huì)加速含銫包晶石的長(zhǎng)期降解并降低其穩(wěn)定性，這對(duì)包晶石太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期性能和耐用性是一個(gè)重大問(wèn)題。

總之，Cs陽(yáng)離子在包晶體薄膜中的分離會(huì)導(dǎo)致成分不均勻、晶格畸變和穩(wěn)定性問(wèn)題，從而對(duì)包晶體太陽(yáng)能電池的性能和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

【新思路】

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)院固體物理研究所、中國(guó)科學(xué)院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘旭研究員、葉加久博士，韓國(guó)成均館大學(xué)Nam-Gyu Park，華北電力大學(xué)戴松元教授等人研究了鈣鈦礦薄膜沿垂直方向的面外成分不均勻性，并確定了根本原因和對(duì)器件的潛在影響。他們使用 1-(苯基磺酰基)吡咯 (PSP) 來(lái)均勻化鈣鈦礦薄膜中的陽(yáng)離子成分，由此產(chǎn)生的p-i-n器件獲得了25.2%穩(wěn)態(tài)PCE和持久穩(wěn)定性。           ****

【技術(shù)優(yōu)勢(shì)】

通過(guò)調(diào)整面外陽(yáng)離子來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池鈣鈦礦成分的均質(zhì)化，通過(guò)控制鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中陽(yáng)離子的排列，可以提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能和穩(wěn)定性。這種方法可以有效減少鈣鈦礦材料中的相分離現(xiàn)象，并提高光電轉(zhuǎn)換效率。此外，該研究還通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的可行性，并提出了加速商業(yè)化的前景。

【研究?jī)?nèi)容】

▌面外陽(yáng)離子不均勻性

經(jīng)研究鈣鈦礦薄膜中甲脒和Cs陽(yáng)離子之間存在空間垂直相偏析，薄膜內(nèi)陽(yáng)離子的分布顯著影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能，并且作者還可視化了由陽(yáng)離子不均勻性引起的相分布和結(jié)構(gòu)變化。據(jù)觀察，Cs陽(yáng)離子傾向于積聚在鈣鈦礦薄膜的底部，從而形成富Cs相，這種陽(yáng)離子不均勻性會(huì)導(dǎo)致薄膜內(nèi)的晶格應(yīng)變和失配。作者通過(guò)使用一種名為 1-(苯磺酰基)吡咯 (PSP) 的添加劑來(lái)抑制陽(yáng)離子偏析并改善晶格排列，經(jīng)過(guò) PSP 處理的薄膜表現(xiàn)出更好的面外晶格排列并降低了晶格應(yīng)力。因此，陽(yáng)離子不均勻性的起源可能與晶體結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。總的來(lái)說(shuō)，解決鈣鈦礦薄膜中面外陽(yáng)離子的不均勻性對(duì)于提高器件性能的具有很大的作用。

本研究采用Enlitech SS-F5-3A產(chǎn)品進(jìn)行量測(cè)。

陽(yáng)離子不均勻性的起源

這部分作者主要討論的是鈣鈦礦薄膜中陽(yáng)離子不均勻性的起源。作者通過(guò)引入PSP的有機(jī)分子解決了鈣鈦礦內(nèi)陽(yáng)離子不均勻性的問(wèn)題，特別是對(duì)于含 FA-Cs 的鈣鈦礦。PSP 的添加導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜內(nèi)的陽(yáng)離子分布均勻。作者通過(guò)觀察ToF-SIMS和深度相關(guān) X 射線光電子能譜 (XPS) 的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這這些結(jié)果提供了鈣鈦礦薄膜內(nèi)面外陽(yáng)離子不均勻性的證據(jù)，PSP分子在薄膜底部的積累。總的來(lái)說(shuō)， PSP 的加入有助于減輕鈣鈦礦薄膜中的陽(yáng)離子不均勻性。

圖2 揭示 FA-Cs 相分離的起源

▌光電特性

作者進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估 PSP 處理對(duì)鈣鈦礦薄膜性能的影響。他們首先分析了經(jīng)過(guò)和未經(jīng) PSP 處理的鈣鈦礦薄膜的PL光譜。結(jié)果表明，與未處理的薄膜相比，經(jīng)過(guò) PSP 處理的薄膜表現(xiàn)出更強(qiáng)的PL強(qiáng)度。TR-PL 測(cè)量表明，PSP 處理導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜中載流子壽命更長(zhǎng)，這說(shuō)明載流子復(fù)合動(dòng)力學(xué)得到改善。

為了進(jìn)一步了解 PSP 處理對(duì)鈣鈦礦薄膜的影響，作者進(jìn)行了DFT計(jì)算，計(jì)算表明，PSP 處理降低了鈣鈦礦薄膜中各種類型缺陷的形成能，薄膜質(zhì)量得到改善。此外，作者還研究了鈣鈦礦薄膜內(nèi)的能帶排列，他們從深度剖面紫外光電子能譜中提取了導(dǎo)帶最小值（CBM）、價(jià)帶最大值（VBM）和費(fèi)米能級(jí)（EF）的值。分析表明，PSP 處理產(chǎn)生了更有利的能帶排列，這可以增強(qiáng)鈣鈦礦薄膜中的電荷傳輸和提取。

總體而言，光電表征表明，PSP 處理改善了鈣鈦礦薄膜的光學(xué)和電子性能，從而提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能。

圖3 光電特性

▌設(shè)備性能

與器件性能相關(guān)的內(nèi)容討論了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制造和評(píng)估。這些器件采用不同的配置制造，例如 p-i-n 和 n-i-p。制造過(guò)程涉及各個(gè)層的沉積，包括 C60、BCP、Ag、SnO2 和空穴傳輸材料 (HTM)。這些器件在功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE)、外部 LED 量子效率 (EQEEL) 和可靠性方面的性能進(jìn)行了評(píng)估。

結(jié)果表明，與參考器件相比，用 1-(苯磺酰基)吡咯 (PSP) 作為添加劑處理的器件表現(xiàn)出更好的性能。器件的 PCE 為 26.1%（經(jīng)認(rèn)證的反向 PCE 為 25.8%，經(jīng)認(rèn)證的穩(wěn)態(tài) PCE 為 25.2%）。該器件還表現(xiàn)出增強(qiáng)的 FF 和改進(jìn)的載流子提取。經(jīng)過(guò) 2,500 小時(shí)的連續(xù)跟蹤后，未封裝的 PSP 處理器件保留了 92% 的初始 PCE，而參考器件在相同條件下下降至 80% 左右。濕熱可靠性測(cè)試也證明了經(jīng)過(guò) PSP 處理的器件的性能。

總體而言，該內(nèi)容強(qiáng)調(diào)了器件制造技術(shù)以及使用 PSP 等添加劑在提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能和可靠性方面的重要性。

圖4 設(shè)備性能穩(wěn)定

【總結(jié)展望】

總的來(lái)說(shuō)，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)院固體物理研究所、中國(guó)科學(xué)院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘旭研究員、葉加久博士、韓國(guó)成均館大學(xué)Nam-Gyu Park、華北電力大學(xué)戴松元教授等人可視化了鈣鈦礦薄膜沿垂直方向的空間不均勻相分布，并提出器件性能受到面外成分不均勻性的限制。此外，還發(fā)現(xiàn) A 位組分之間的不平衡結(jié)晶和相變過(guò)程對(duì) FA-Cs 相分離有顯著影響。作者通過(guò)采用 1(苯磺酰基)吡咯 (PSP) 作為添加劑來(lái)延緩 FAC 鈣鈦礦的陽(yáng)離子偏析行為。經(jīng)過(guò) PSP 處理的 p-i-n 結(jié)構(gòu)器件產(chǎn)生了 26.1% 的 PCE（經(jīng)認(rèn)證的反向 PCE 為 25.8%，經(jīng)認(rèn)證的穩(wěn)態(tài) PCE 為 25.2%）。