導讀目錄
1. 突破單結太陽能電池解析_疊層太陽能電池TSC的發展性
2. AQS-based添加劑延伸步驟及表征設備
3. AQS實現WBG單結全無機PSC長期穩定性提升用于鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池P/O TSC
突破單結太陽能電池高PCE:18.59%、VOC近1.3V
疊層太陽能電池TSC >10001000小時的T90壽命
隨著能源需求的增長和對可再生能源的關注，太陽能電池技術的發展成為了研究的重點。傳統的單結太陽能電池受制于肖克利-奎瑟極限，為了突破這一限制，香港城市大學Alex Jen團隊研究人員開始探索疊層太陽能電池（TSC）的設計，將兩個或多個具有不同帶隙的亞細胞堆棧在一起，以捕獲更廣泛的光譜范圍，從而提高整體的轉換效率。
在眾多的TSC設計中，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池（P/O TSC）由于其高效率和潛在的低成本，受到了廣泛的關注。這些器件結合了無機鈣鈦礦材料的高吸收系數和有機材料的可調帶隙，使得P/O TSCs能夠在有限的空間內捕獲更多的太陽光，從而提高功率轉換效率（PCE）。
然而，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池P/O TSCs面臨的主要挑戰之一是長期穩定性，尤其是在實際運行條件下。光誘導的溴化物分離和熱應力是導致這些器件性能衰退的主要原因。為了改善這一問題，本研究開發了兩種多功能添加劑，基于9,10-蒽醌-2-磺酸（AQS），以調節全無機鈣鈦礦的結晶過程，并通過氧化還原穿梭效應抑制溴化物分離，從而提高相位穩定性。這些添加劑還能與具有特定功能基團和偶極矩的有機陽離子結合，有效降低缺陷密度并調整界面能階排列。
本研究由香港城市大學Alex Jen團隊發表于Angewandte Chemie International Edition 八月號 (DIO: 10.1002/anie.202412515)，其研究目的是通過這些多功能添加劑的應用，實現高效率、高穩定性的倒置無機鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池，以推動該技術向實際應用邁進。研究結果表明，使用這些添加劑的單結無機鈣鈦礦太陽能電池達到了18.59%的高PCE，開路電壓接近1.3 V，并且由此制成的疊層太陽能電池在連續運作下展現了超過1000小時的T90壽命，顯示了這些添加劑在提高器件穩定性和效率方面的潛力。
圖5. (a) 基于無機鈣鈦礦的P/O TSC的體系結構。 (b) P/O TSC、單結太陽能電池和單結有機太陽能電池的J-V特性。 (c) P/O TSC的EQE曲線。星點代表本研究實現的PCE。 (d) P/O TSC的PCE評估。
AQS-based添加劑延伸步驟及表征設備
透過分析該研究，整理出以下研究人員所采用的研究步驟及其欲達成的研究目的:
1. 研究多功能添加劑的設計與合成
l 材料準備：購買商業化原料，如CsI、PbI2、PbBr2、PbCl2等，并使用AQS-based添加劑進行合成。
研究目的：確保材料的純度和質量，以供后續制備太陽能電池之用。
l 溶液準備：將NiOx、CbzNaph、i-PVK、CF3-PEAI、PM6、BTP-eC9、PCBM等材料分別制成溶液，并加入特定的溶劑和添加劑，如DIO。
研究目的：制備均勻且適合涂布的溶液，以獲得良好的薄膜質量。
l 添加劑的表征與性能評估：
目的：使用熱重分析（TGA）、差示掃描量熱法（DSC）和其他分析技術來表征添加劑的熱穩定性和化學性質，并評估其對鈣鈦礦薄膜質量的影響。
2. 單結無機鈣鈦礦太陽能電池（i-PSCs）制備與性能測試：
l 按照特定的結構和步驟，包括ITO/NiOx/CbzNaph/i-PVK/C60/BCP/Ag，來制備i-PSCs。
l 測試其光電轉換效率（PCE）、開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）等關鍵參數
研究目的：制備高效能的i-PSCs，并研究AQS-based添加劑對其性能的影響。
3. 單結有機太陽能電池（OSCs）制備：按照特定的結構和步驟，包括ITO/MoOx/PM6:BTP-eC9/PNDIT-F3N/Ag，來制備OSCs。
研究目的：制備高效能的OSCs，并研究其作為疊層太陽能電池的一部分時的性能。
4. 疊層太陽能電池制備與性能測試：
l 將優化的無機鈣鈦礦子電池與有機后子電池集成并制備，形成一個完整的疊層太陽能電池結構。
l 測試其整體性能，包括PCE、穩定性和在最大功率點追蹤（MPPT）條件下的壽命。
研究目的：制備高效率的疊層太陽能電池，并研究其整體性能和穩定性。
5. 測量和表征：使用1H NMR、13C NMR、XRD、DLS、SEM、XPS、UPS、PL、TRPL、J-V特性和EQE等技術對材料和器件進行表征。
研究目的：深入了解材料和器件的結構、形態、光電特性及性能。
6. 密度泛函理論（DFT）計算：進行DFT計算以理解添加劑與鈣鈦礦材料之間的相互作用。
研究目的：從理論角度解釋添加劑對太陽能電池性能的影響。
7. 在位表征：通過在位光吸收、熒光和光散射等實驗，分析聚合物和小分子的成核和結晶過程。
研究目的：實時監測和分析薄膜的形態特性和成長過程。
8. 電化學阻抗譜（EIS）和熱容譜（TAS）分析：通過EIS和TAS來研究器件的電化學特性和溫度依賴性。
研究目的：評估器件的電荷傳輸和收集效率，以及熱穩定性。
9. 穩定性測試：使用動態MPPT系統在N2氣氛中進行穩定性測試，以評估器件的長期穩定性。
研究目的：驗證太陽能電池在實際操作條件下的耐久性和可靠性。
上述的各項研究步驟使用多項量測及表征設備，如: X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、熱重分析儀（TGA）、差示掃描量熱儀（DSC）、紫外-可見吸收分光亮度計（UV-Vis）、光致發光譜儀（PL）等。另外，如下方表列:
電化學阻抗譜（EIS）：用于研究器件內部的電子傳輸和界面特性。
時間分辨光致發光（TRPL）：用于測量載流子的壽命和非輻射復合過程。
外量子效率（EQE）測量系統：用于評估太陽能電池對不同波長光的光電轉換效率。
該量測采用光焱科技 QE-R外量子效率量測方案，為單結及多結太陽能電池提供有效精準且高重現性的表征參數，還能通過軟件的配合，實現高效的ΔΕ1量測模式。光焱科技的分析軟件可將上述設備的數據直接執行導入與導出，有效簡化了原本繁瑣且需要大量計算驗證的研究流程，從而成功獲取器件各階段所需的關鍵參數，并降低了程序負荷和人為計算錯誤的風險。
光焱科技QE-R現場裝機示意圖
在這項研究中，EQE測量系統幫助研究人員評估了多功能添加劑對無機鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池光電轉換效率的影響。通過EQE測量，研究團隊能夠確定添加劑是否改善了太陽能電池在特定波長范圍內的光吸收和電荷轉換過程。這對于實現高效率的太陽能電池至關重要。
具體來說，研究結果顯示，通過使用這些添加劑，單結無機鈣鈦礦太陽能電池達到了18.59%的高PCE，并且開路電壓接近1.3 V。此外，由此制成的疊層太陽能電池在連續運作下展現了超過1000小時的T90壽命。這些結果表明，添加劑的使用不僅提高了太陽能電池的效率，而且顯著提高了其穩定性和壽命，這是太陽能電池商業化應用中非常重要的特性。
圖S11。 （a）無添加劑的i-PSCs的EQE曲線和（b）相應的導數曲線，帶有AQS：FPMA和帶有AQS：FPEA。
傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）：用于分析材料的化學鍵和官能團。
核磁共振（NMR）：用于確認有機分子的化學結構。
X射線光電子能譜（XPS）：用于分析材料表面的化學組成和鍵結狀態。
AQS實現WBG單結全無機PSC長期穩定性提升用于鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池P/O TSC
研究團隊設計并合成了兩種新型多功能添加劑AQS和AQS。AQS單元在形成新的中間相中起著至關重要的作用，通過調節結晶過程降低了高質量全無機鈣鈦礦的缺陷密度。
此外，在AQS中的高效氧化還原穿梭還增強了這些WBG鈣鈦礦的相穩定性，從而有助于改善衍生器件的穩定性。將AQS與有機偶極分子FPMA和FPEA集成，進一步實現了對Pb2+的有效鈍化和表面能級的調節。結果，在單結全無機PSC中實現了超過18%的高效率和記錄性能的Voc約為1.3V，在MPPT條件下具有優異的長期穩定性。更重要的是，WBG無機鈣鈦礦可以用作構建反向P/O TSC中的前級電池，實現了在MPPT條件下1000小時的T90壽命，超過了大多數已報告的P/O TSC的壽命。
推薦設備
QE-R
文獻參考自Angewandte Chemie International Edition_DOI：10.1002/anie.202412515
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