近年來， 鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其高效、 低成本、 易制備等特點(diǎn)， 成為下一代光伏技術(shù)。 為了推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展， 來自中國香港的科研團(tuán)隊(duì)持續(xù)發(fā)力， 在國際頂尖期刊 Joule 上接連發(fā)表兩篇重要研究成果。 這兩篇研究展現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的未來潛力， 并為解決目前面臨的挑戰(zhàn)提供了新的思路。
【香港城市大學(xué)和南昌大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)： 突破性研究 打造高效率、 穩(wěn)定、 全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池】
第一項(xiàng)研究成果發(fā)表在 2024 年 7 月的 Joule 期刊上， 由香港理工大學(xué) Alex K.-Y. Jen 教授和南昌大學(xué)姚凱 教授共同領(lǐng)導(dǎo)。 他們提出了一種全新的應(yīng)力控制策略， 在全紋理硅芯片上構(gòu)建了垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu) (SHS) 的鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池， 該器件在工業(yè)規(guī)模的全紋理晶硅片上展現(xiàn)出令人矚目的效率。
Alex K.-Y. Jen 教授， 是香港城市大學(xué)材料科學(xué)學(xué)院教授， 他是化學(xué)與材料領(lǐng)域的科學(xué)家之一。 他的團(tuán)隊(duì)長期致力于新型有機(jī)電子材料的設(shè)計(jì)合成以及功能器件研究， 發(fā)表過大量的論文。同時(shí)，也是光焱科技的長期合作伙伴， 積極利用光焱科技先進(jìn)的量測設(shè)備， 推動(dòng)科研工作。
他們的研究表明:
l 在全紋理硅芯片上制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜， 一直以來是科研人員面臨的重大挑戰(zhàn)之一。
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池在研究和應(yīng)用中可能會(huì)遇到以下主要瓶頸:
1. 材料穩(wěn)定性
鈣鈦礦材料的長期穩(wěn)定性仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。鈣鈦礦材料對(duì)環(huán)境條件（如濕度、氧氣和光照）非常敏感，容易發(fā)生降解。這會(huì)導(dǎo)致電池效率的快速下降，影響其實(shí)際應(yīng)用。
2. 界面工程
在疊層結(jié)構(gòu)中，鈣鈦礦和晶硅之間的界面非常關(guān)鍵。界面處的缺陷、界面應(yīng)力以及能級(jí)匹配等問題都會(huì)影響載流子的傳輸效率。解決這些問題需要精細(xì)的界面工程，但這也是一個(gè)復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。
3. 制備工藝
疊層太陽能電池的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，需要多層材料的精確控制和疊加。確保每一層材料的質(zhì)量和均勻性，避免在制造過程中產(chǎn)生缺陷，這是實(shí)現(xiàn)高效疊層電池的關(guān)鍵。
4. 規(guī)模化生產(chǎn)
實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)高效的全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池，但如何將這種高效能轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)仍然面臨許多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的挑戰(zhàn)。需要開發(fā)穩(wěn)定、高效、低成本的制造工藝。
5. 環(huán)境兼容性
鈣鈦礦材料中通常含有鉛，這對(duì)環(huán)境和健康具有潛在危害。如何開發(fā)無鉛或低鉛的鈣鈦礦材料，同時(shí)保證電池的高效性，是當(dāng)前研究的重要方向。
6. 壽命和可靠性
雖然鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室條件下可以表現(xiàn)出高效率，但其長期使用壽命和可靠性尚未得到充分驗(yàn)證。在實(shí)際應(yīng)用中，電池需要在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能，這對(duì)其壽命和可靠性提出了更高的要求。
7. 成本控制
盡管鈣鈦礦材料的成本相對(duì)較低，但疊層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造工藝的精細(xì)控制增加了整體生產(chǎn)成本。如何在保證高效能的前提下降低生產(chǎn)成本，是推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
l 由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 傳統(tǒng)的工藝難以在全紋理硅芯片上形成均勻的鈣鈦礦薄膜， 并且可能造成嚴(yán)重的應(yīng)力問題， 影響電池性能。
l 團(tuán)隊(duì)提出的應(yīng)力控制策略， 利用真空蒸鍍方法在埋入界面構(gòu)建垂直 3D/3D 應(yīng)力異質(zhì)結(jié) (SHS)。
通過調(diào)控埋入緩沖層鈣鈦礦材料的成分， 可以有效控制鈣鈦礦薄膜的應(yīng)力， 并促進(jìn)晶體的生長。
l 此外， 應(yīng)力控制還能有效降低界面復(fù)合損失， 并提高內(nèi)置電勢。
這項(xiàng)突破性的成果， 使得全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池的認(rèn)證效率達(dá)到 31.5%， 并成功地將電池的穩(wěn)定性提升到了 800 小時(shí)的持續(xù)運(yùn)行。
【香港科技大學(xué)、 香港城市大學(xué)和北卡羅來納州立大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)：聚合物受體分子設(shè)計(jì)策略 提高全聚合物太陽能電池效率】
第二項(xiàng)研究成果同樣發(fā)表在 2024 年 7 月的 Joule 期刊上， 由香港科技大學(xué)顏河 教授、 香港城市大學(xué)朱宗龍 教授以及北卡羅來納州立大學(xué)Harald Ade 教授共同領(lǐng)導(dǎo)。 他們針對(duì)當(dāng)前有機(jī)太陽能電池的瓶頸問題 - 效率偏低以及穩(wěn)定性不足 - 提出了一種全新的聚合物受體分子設(shè)計(jì)策略:
顏河 教授是香港科技大學(xué)化學(xué)系教授， 長期致力于有機(jī)電子材料和器件研究， 在國際頂尖期刊發(fā)表大量學(xué)術(shù)成果， 是該領(lǐng)域的著名學(xué)者之一。
朱宗龍 教授是香港城市大學(xué)化學(xué)系教授， 他的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于開發(fā)新型有機(jī)光伏材料， 并探索更高效的太陽能電池制備技術(shù)。
Harald Ade 教授是北卡羅來納州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系的教授。 他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)是全球納米尺度材料表征研究領(lǐng)域之一， 專注于新型先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)。
他們的研究表明:
l 傳統(tǒng)聚合物受體分子通常使用 "端-端" 連接模式進(jìn)行聚合。 這種設(shè)計(jì)方式會(huì)導(dǎo)致分子之間的空間位阻， 降低了分子的堆積和有序度， 進(jìn)而影響了材料的載流子傳輸效率和器件性能。
使得效率提升的研究上面臨以下主要瓶頸：
1. 材料性能
光吸收效率： 聚合物材料的光吸收范圍和能力相對(duì)有限，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率較低。開發(fā)具有更寬光譜吸收范圍和更高吸光系數(shù)的聚合物材料是提高效率的關(guān)鍵。
電荷載流子遷移率： 聚合物材料的電荷載流子遷移率普遍較低，影響了光生載流子的有效分離和傳輸，導(dǎo)致電池的內(nèi)部量子效率降低。
2. 能級(jí)匹配
供體和受體材料的能級(jí)匹配： 聚合物太陽能電池的效率高度依賴于供體和受體材料之間的能級(jí)匹配。能級(jí)匹配不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電荷分離效率低下和復(fù)合損失增加。找到理想的供體和受體組合，優(yōu)化能級(jí)匹配，是提升效率的重要途徑。
3. 界面工程
相分離和形貌控制： 在全聚合物太陽能電池中，供體和受體材料的相分離和形貌對(duì)電池性能有重要影響。需要在納米尺度上控制相分離和形貌，以優(yōu)化電荷分離和傳輸路徑，這一過程非常復(fù)雜且難以精確控制。
界面改性： 聚合物和電極之間的界面需要進(jìn)行改性，以降低界面電阻和抑制電荷復(fù)合。合適的界面層材料和界面改性方法的開發(fā)是提高電池效率的關(guān)鍵。
4. 制備工藝
溶液加工方法： 全聚合物太陽能電池通常采用溶液加工方法，但這一方法容易引入缺陷和不均勻性，影響電池性能。如何在溶液加工過程中保持材料的均勻性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
薄膜質(zhì)量： 制備高質(zhì)量的薄膜是提高電池效率的前提。薄膜中的缺陷、粗糙度和結(jié)晶度都會(huì)影響電荷的傳輸和復(fù)合。
5. 環(huán)境穩(wěn)定性
聚合物材料的穩(wěn)定性相對(duì)較差，容易受到環(huán)境因素（如氧氣、濕度、光照等）的影響而降解。材料的降解不僅會(huì)降低電池效率，還會(huì)影響其使用壽命。提高聚合物材料的環(huán)境穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)高效且持久的全聚合物太陽能電池的必要條件。
6. 電子和空穴傳輸層
優(yōu)化傳輸層材料： 電子和空穴傳輸層在全聚合物太陽能電池中起著至關(guān)重要的作用。傳輸層材料的選擇和優(yōu)化對(duì)電池的開路電壓、短路電流和填充因子都有顯著影響。
7. 成本與可制造性
盡管聚合物太陽能電池的材料成本較低，但制備高性能電池所需的精細(xì)控制和優(yōu)化過程增加了制造成本。開發(fā)低成本、易于大規(guī)模生產(chǎn)的制備工藝，是推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
l 該團(tuán)隊(duì)通過引入一種全新的 "核-核" 連接模式， 將 Y 系列單體分子連接成一個(gè)特殊的 "雙層樓" 結(jié)構(gòu)， 使不同單體單元在同一聚合物中形成分子內(nèi)堆積， 有效提升了分子排列的緊密度， 并促進(jìn)了電荷的離域化和傳輸。
該團(tuán)隊(duì)利用這種新穎的策略成功合成了一種新的聚合物受體材料， 并將該材料應(yīng)用于三元全聚合物太陽能電池， 最終實(shí)現(xiàn)了 18.7% 的高效率， 展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池與全聚合物太陽能電池的對(duì)比分析：
i. 應(yīng)用領(lǐng)域:
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池:
2 大規(guī)模發(fā)電： 由于其高效能和良好的穩(wěn)定性，這種太陽能電池常用于大規(guī)模太陽能發(fā)電廠。
2 建筑集成光伏（BIPV）： 因?yàn)榭梢栽诂F(xiàn)有建筑物表面集成，所以適用于高層建筑、屋頂?shù)葓鼍啊?/span>
2 智能電網(wǎng)： 配合儲(chǔ)能系統(tǒng)使用，為智能電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力輸出。
全聚合物太陽能電池:
2 柔性電子產(chǎn)品： 由于其輕便、柔性好，常用于可穿戴設(shè)備和便攜式電子產(chǎn)品。
2 建筑涂層： 可以作為建筑涂層材料應(yīng)用，利用陽光進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。
2 環(huán)境傳感器： 由于其制造成本低，可用于大規(guī)模分布式傳感網(wǎng)絡(luò)中，為環(huán)境監(jiān)測提供電源。
ii. 差異性
n 材料組成:
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池: 采用鈣鈦礦材料和晶硅材料的結(jié)合，利用兩種材料的不同帶隙，實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率。
全聚合物太陽能電池: 由有機(jī)聚合物材料制成，通常具有較低的光電轉(zhuǎn)換效率。
n 制造工藝:
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池: 制造工藝相對(duì)復(fù)雜，需要精密的材料處理和層疊技術(shù)。
全聚合物太陽能電池: 制造工藝相對(duì)簡單，通常可以通過溶液加工方法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
n 效率和穩(wěn)定性:
全紋理鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池: 具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
全聚合物太陽能電池: 效率較低，穩(wěn)定性也相對(duì)較差，但在某些應(yīng)用場景中，其靈活性和低成本具有優(yōu)勢。
iii. 共通性:
n 環(huán)保性: 兩者都屬于綠色能源技術(shù)，能夠減少對(duì)化石燃料的依賴，減少碳排放。
n 應(yīng)用廣泛: 都可以用于多種應(yīng)用場景，雖然重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域不同， 但在某些特定條件下可以互為補(bǔ)充。
n 技術(shù)發(fā)展: 都是當(dāng)前太陽能電池技術(shù)發(fā)展的重要方向， 具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。
重要技術(shù)參數(shù)：
第一篇論文:
全紋理鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池效率: > 31.5%
第二篇論文:
三元全聚合物太陽能電池效率: > 18.7%
參考文獻(xiàn)
Strained heterojunction enables high-performance, fully textured perovskite/silicon tandem solar cells _Joule.15th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015
A polymer acceptor with double-decker configuration enhances molecular packing for high-performance all-polymer solar cells
Joule.9th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.010
【本研究參數(shù)圖】
以上為Strained heterojunction enables high-performance, fully textured perovskite/silicon tandem solar cells相關(guān)參數(shù)圖
Fig 2. 紫外可見吸收光譜/熒光發(fā)射光譜、電化學(xué)能級(jí)以及分子模擬結(jié)果
Fig3. 結(jié)晶性與相分離表征結(jié)果（GIWAXS and RSoXS）以及分子動(dòng)力學(xué)模擬堆積結(jié)果
以上為A polymer acceptor with double-decker configuration enhances molecular packing for high-performance all-polymer solar cells相關(guān)參數(shù)圖
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文獻(xiàn)參考自Joule.15th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015 & Joule.9th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.010
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