从Science看钙钛矿太阳能电池的研究热点，你看好哪个？

youyoucao 4年前 (2021-01-05) 3257浏览

2020年Science主刊发表了11篇钙钛矿太阳能电池领域的文章，其中4篇报道叠层电池，钙钛矿/硅叠层电池最高认证的PCE已经达到29.1%；4篇研究聚焦于钙钛矿本身优化，尤其是针对FbPbI3钙钛矿；1篇文章针对空穴传输层做了改性处理；1篇文章揭示了深层次的机理，优化了测试手段；1篇文章报道了一种性能优异的封装层，通过了国际61215:2016技术标准，加速了钙钛矿太阳能电池的市场应用。

一、叠层太阳能电池

从图1可以看到，钙钛矿电池和硅电池叠层使用有效拓宽了太阳能电池的光吸收范围，在可见光波段范围以及红外波段都拥有极高的外量子效率。叠层电池的发展将有效推动钙钛矿电池的市场应用。

图1 钙钛矿/硅叠层电池示意图及EQE图谱[1]

1. Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction

2. Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite on textured crystalline silicon

3. Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide-bandgap perovskites

4. Triple-halide wide–band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems

二、钙钛矿体系优化

图2展示了四种钙钛矿膜层的优化处理方法，钙钛矿虽然拥有出色的性能，但是在各种成膜过程中不可避免会产生缺陷，通过有效的优化手段，可以有效提高薄膜的质量及稳定性，揭示高质量薄膜形成机理，为钙钛矿电池的进一步发展打好基础。值得注意的是，在这四篇研究中，研究钙钛矿主要是有机-无机杂化钙钛矿，尤其是FAPbI3钙钛矿。FAPbI3钙钛矿本身由于热力学α相不稳定，之前鲜少被看好，但是现在却能通过简单的后处理提高α相的稳定性，可见没有稳定性差的钙钛矿，只有亟待发现的后处理~

图2 钙钛矿体系优化。（a）SCN-后处理示意图[2]；（b）钙钛矿薄膜后处理示意图[3]；（c）XRD特征峰随MDA和Cs添加量变化曲线[4]；（d）二次离子质谱3D谱图[5]。

1. Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3perovskite solar cells

2. Resolving spatial and energetic distributions of trap states in metal halide perovskite solar cells

3. Impact of strain relaxation on performance of α-formamidinium lead iodide perovskite solar cells

4. A piperidinium salt stabilizes efficient metal-halide perovskite solar cells

三、改性空穴传输层

空穴传输层最开始从有机空穴发家，但是昂贵的价格和热稳定性能始终是有机空穴物质的两大挑战，官能团的氟化处理常见于超疏水结构的改性处理，以提高膜表面的疏水性能。笔者认为想做好钙钛矿太阳能电池的研究，一定要多了解各个研究方向，说不定下次拿紫外光照一照，改善了疏水性能，就有意想不到的收获了，祝愿各位同学都有自己的灵感缪斯。

图3 氟化处理后的空穴传输层结构[6]

1. Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss

四、机理研究

钙钛矿对电子束的敏感性，笔者有非常深（且痛）的感悟：提心吊胆准备样品，抽好真空耶还没有出现针状晶！然后电子束聚焦一分钟，膜就烧焦了，结构也破坏了，该挥发的都没有了。所以笔者非常非常佩服这篇文章的作者们，居然能照出来如此清晰排列规整的钙钛矿晶格，这为之后的机理研究打开了新的大门！笔者会持续追踪这个课题组，一定会有更多有趣的发现。

图4 原子级STEM照片[7]

1. Atomic-scale microstructure of metal halide perovskite

五、高性价比封装层

封装的重要性，对于各种稳定性测试来说都是刚需。拥有好的封装层，我们的钙钛矿电池“上刀山下火海”都不在话下。

图5 封装后电池性能测试[8]

1. Gas chromatography-mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells

2020年Science总结完毕，小伙伴们竞猜一下钙钛矿领域下一个研究热点

  • 叠层电池
  • 有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池
  • CsPbI3钙钛矿太阳能电池
  • 封装、环保与寿命问题
  • 钙钛矿机理研究
  • 其他

参考文献

[1] Al-Ashouri A, Köhnen E, Li B, et al. Science, 2020, 370(6522): 1300-1309.

[2] Lu H, Liu Y, Ahlawat P, et al. Science, 2020, 370(6512).

[3] Ni Z, Bao C, Liu Y, et al. Science, 2020, 367(6484): 1352-1358.

[4] Kim G, Min H, Lee K S, et al. Science, 2020, 370(6512): 108-112.

[5] Lin Y H, Sakai N, Da P, et al. Science, 2020, 369(6499): 96-102.

[6] Jeong M, Choi I W, Go E M, et al. Science, 2020, 369(6511): 1615-1620.

[7] Rothmann M U, Kim J S, Borchert J, et al. Science, 2020, 370(6516).

[8] Shi L, Bucknall M P, Young T L, et al. Science, 2020.

本文由西游供稿。

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