太陽能電池是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑， 但傳統(tǒng)的硅基太陽能電池在效率提升方面面臨挑戰(zhàn)，難以充分利用全部光譜。 近年來，鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、低成本和制備工藝簡單等優(yōu)點，備受關注。 但是， 鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性問題以及復雜的環(huán)境因素， 一直是阻礙其大規(guī)模應用的關鍵問題。

為了突破這些限制， 科研人員不斷探索新的方法， 以提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。 然而，傳統(tǒng)的制備方法通常依賴人工操作， 無法精確控制所有關鍵參數(shù)，導致重復性差、效率不穩(wěn)定。 近期，德國埃爾朗根-紐倫堡大學材料科學系 Christoph J. Brabec 教授團隊在Energy & Environmental Science 雜志發(fā)表了一篇突破性研究成果， 他們使用全新的 “自動設備加速平臺” (DAP)， 精確地操控了鈣鈦礦太陽能電池制備的關鍵參數(shù)， 并在常溫常壓的環(huán)境下成功地將電池效率提升至23% 以上。

【自動設備加速平臺： 為鈣鈦礦太陽能電池制備注入“精準”與“高效”的力量】

自動設備加速平臺 (DAP) 在鈣鈦礦太陽能電池研究中的應用帶來了多重優(yōu)勢：

l  提高效率: 自動化設備能夠加快實驗和數(shù)據(jù)收集的速度，使研究人員能夠在更短時間內(nèi)完成更多實驗。

l  提高精度和一致性: 自動化系統(tǒng)減少了人為操作誤差，保證了實驗條件的一致性，從而提高了實驗結果的可靠性和重復性。

l  節(jié)約成本: 通過自動化設備，可以減少人力成本和材料浪費，從而降低研究費用。

l  加速材料篩選和優(yōu)化: 自動化平臺能夠快速篩選和優(yōu)化鈣鈦礦材料的組合，從而加速新型高效太陽能電池材料的開發(fā)。

l  數(shù)據(jù)處理和分析: 自動化設備可以集成高級的數(shù)據(jù)處理和分析工具，實時分析實驗結果，提供有價值的反饋，幫助研究人員迅速調(diào)整實驗參數(shù)。

l  推動創(chuàng)新: 自動化平臺可以進行大規(guī)模高通量實驗，為鈣鈦礦太陽能電池的創(chuàng)新和新技術的突破提供了可能性。

【突破傳統(tǒng)效率， 在常溫常壓下取得突破性成果】

該團隊的核心突破在于使用了全新的自動設備加速平臺（DAP）。 該平臺可以同時控制多種工藝參數(shù)， 實現(xiàn)對鈣鈦礦薄膜制備過程的精準操控， 從而避免人工操作帶來的誤差， 保證實驗的可重復性。 他們使用 DAP 系統(tǒng)對制備鈣鈦礦太陽能電池的十余個關鍵工藝參數(shù)進行優(yōu)化， 重點分析了有機銨鹵化物滴加速度對鈣鈦礦薄膜和電池性能的影響。

該研究表明，有機銨鹵化物的滴加速度對鈣鈦礦薄膜的 PbI2 殘留量以及器件的最終效率都具有顯著的影響。 滴加速度過快或過慢，都可能導致電池性能不理想。 通過研究團隊對關鍵參數(shù)的精細調(diào)整， 最終發(fā)現(xiàn)最佳的滴加速度（例如50 µL s?1）可以有效地提升電池性能。

利用 DAP 平臺， 結合科學的實驗設計， 最終成功優(yōu)化了鈣鈦礦太陽能電池在常溫常壓條件下的制備工藝。 這一突破使得他們能夠建立一套無添加劑的標準操作程序 (SOP)， 能夠在環(huán)境溫度下穩(wěn)定制備高效率 (超過 23%)、 高可重復性且具有光熱穩(wěn)定鈣鈦礦電池。

為了對鈣鈦礦太陽能電池的量子效率進行精確的測量， 該團隊還使用了光焱科技的 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學儀。 QE-R 設備能夠在不同的波長下測量電池的外量子效率（EQE）， 精確地分析鈣鈦礦材料的光電轉換特性。

【開創(chuàng)新的太陽能技術： 前景無限】

該團隊的研究成果強調(diào)了深入理解工藝參數(shù)之間的因果關系對提升鈣鈦礦太陽能電池性能的重要性。 此外，他們的研究突顯了自動化平臺在探索創(chuàng)新制備流程和加速高性能鈣鈦礦太陽能電池技術開發(fā)中的關鍵作用。

Brabec 教授團隊， 通過對鈣鈦礦太陽能電池制備過程的精準操控， 實現(xiàn)了突破性的效率提升， 為鈣鈦礦太陽能技術的發(fā)展指明了新的方向。 這將促進更穩(wěn)定的高效太陽能電池走向市場化， 幫助實現(xiàn)清潔能源的廣泛應用， 為人類的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻。

該團隊通過利用自動設備加速平臺（DAP）系統(tǒng)， 精確操控鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝， 并在常溫常壓條件下， 獲得了超過 23% 的電池效率， 實現(xiàn)了突破性的進步。 DAP 能夠有效地提升科研效率， 幫助科學家更快速地探索新材料和工藝， 并加快鈣鈦礦太陽能電池的開發(fā)和應用。

重要技術參數(shù)：

l   鈣鈦礦太陽能電池效率: > 23%

l   關鍵技術: 自動設備加速平臺 (DAP)

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

埃爾朗根-紐倫堡大學_ Christoph J. Brabec教授

Christoph J. Brabec 教授是埃爾朗根-紐倫堡大學 i-MEET (Materials for Electronics and Energy Technology) 研究所所長。 他是世界上著名的材料科學家和納米技術專家， 專注于有機光電材料、太陽能電池、傳感器以及生物電子學領域的研究。發(fā)表了500多篇科研論文， 被引用次數(shù)超過70000次， 榮獲多個重要獎項。

參考文獻

Precise control of process parameters for >23% efficiency perovskite solar cells in ambient air using an automated device acceleration platform _ Energy & Environmental Science2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01432D

【本研究參數(shù)圖】

Fig 1.  自動制備流程和鈣鈦礦器件的統(tǒng)計性能示意圖。 (A) 采用兩步式循序沉積法自動制備鈣鈦礦薄膜的示意圖。 (B) PSCs 的結構 (ITO/SnO2/鈣鈦礦/Spiro-OMeTAD/Au)。 (C) 使用不同滴管高度（滴入 FAI/MACl 溶液時）制備的鈣鈦礦器件的性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯總。 滴管高度分別為 0.5、1、2、4、6、10、15 和 30 mm。 (D) 鈣鈦礦器件的統(tǒng)計性能與鹵化銨滴速的函數(shù)關系。 滴速分別為 5、10、20、50、100、200、400 和 500 µL s?1。顯示器件結構、受控的制程參數(shù)以及所得到的器件性能變化，這些變化是參數(shù)的函數(shù)。 此圖有助于說明研究人員如何微調(diào)制備過程以獲得最佳結果。

Fig 2.  鈣鈦礦薄膜的結構表征和分析。 (A) 俯視 SEM 圖像（比例尺為 1 µm），(B) XRD 圖樣以及聚焦在 12.7° 附近的放大圖 (對應于 PbI2 相)，以及 (C) 使用不同有機鹵化銨溶液滴速制備的鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦相峰 (在 14°) 的衍射強度。 (D) 不同滴速對鈣鈦礦薄膜的形貌和結晶的影響示意圖。所制備的鈣鈦礦薄膜的結構分析，重點關注其形貌、晶體結構以及這些方面如何受到不同滴速的影響。

Fig 4. 優(yōu)化器件的表征。 (A) 器件的 J-V 曲線。 插入文字提供了性能信息。 旋轉速度組合為 1300 rpm × 1750 rpm，滴速為 50 µL s?1。 (B) 優(yōu)化器件的 EQE 光譜和積分 Jsc。 (C) 使用優(yōu)化參數(shù)制備的器件的 J-V 曲線和 PCE 分布直方圖 (28 個電池)。 (D) 未封裝器件在模擬 AM 1.5G 照明下，在周圍空氣中進行約 300 秒的 MPP 跟蹤，并連續(xù)通入氮氣。 數(shù)據(jù)是在 Jmpp 下收集的，并使用 0.908 V 的恒定電壓 (Vmpp)。 (E) 長期穩(wěn)定性測試的結果。 樣品在充氮腔室內(nèi)，在 60–65 °C 下進行測試，并使用連續(xù)的金屬鹵化物燈照明 (83 mW cm?2)，方向相反。描繪了優(yōu)化器件的性能特性。 這包括 J-V 曲線、EQE、PCE 分布和穩(wěn)定性測試。 此圖顯示了優(yōu)化制程在創(chuàng)造高性能器件方面的成功。

Fig S16. 使用不同滴速制備的薄膜的 PL 光譜。 滴速分別為 5 到 500 µL/s。 在每部電影上都測量了具有規(guī)律圖案的 13 個點。不同滴速對鈣鈦礦薄膜的影響，可能說明了受控滴速如何影響薄膜的光學特性。

Fig.S21. 具有和沒有 PEAI 鈍化層的鈣鈦礦器件的 J-V 曲線。比較了具有和沒有鈍化層的器件的性能，展示了鈍化策略在提高器件性能方面的有效性。

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 & Environmental Science2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01432D

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