鈣鈦礦可謂是一種“寶藏”材料，其含有豐富的碳、氫、氮、碘、鉛等化學(xué)元素。此前它以較低的成本、易被廣泛應(yīng)用而“出圈”，曾被專業(yè)人士認(rèn)定是太陽能電池領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧稀?/p>

19 世紀(jì)初，鈣鈦礦第一次被報(bào)道，到 2009 年，它因可以在太陽能電池中使用而成為發(fā)電的候選材料而被“重新發(fā)現(xiàn)”。在短短十年的時(shí)間里，鈣鈦礦席卷了光伏（PV）研究領(lǐng)域，并且不斷刷新著效率紀(jì)錄。

最近，德累斯頓工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理研究所（IAP）和德累斯頓電子發(fā)展中心（cfaed）的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可用任何反溶劑重復(fù)制備高效鈣鈦礦太陽能電池的通用方法。

3 月 25 日，該團(tuán)隊(duì)以《用任何反溶劑制備高效鈣鈦礦太陽能電池的通用方法》（“A general approach to high-efficiency perovskite solar cells by any antisolvent”）為題，將研究論文發(fā)表在 Nature Communications 雜志上。

在鈣鈦礦光伏技術(shù)研究中，通常是通過反溶劑調(diào)控鈣鈦礦薄膜進(jìn)行研究。而該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種可以使任何反溶劑，通過控制反溶劑的施用率來制備高效鈣鈦礦型太陽能電池的通用方法。

據(jù)了解，反溶劑可分為三類：有利于短應(yīng)用時(shí)間的反溶劑、不受影響的反溶劑、以及在較長(zhǎng)應(yīng)用時(shí)間下性能最佳的反溶劑。

研究人員為了確定對(duì)調(diào)整反溶劑施用步驟的持續(xù)時(shí)間的影響，通過研究 14 種不同反溶劑，研究人員制備了近 800 種三陽離子鈣鈦礦型 PV 器件。通過分析鈣鈦礦層的詳細(xì)結(jié)構(gòu)、組成和微觀結(jié)構(gòu)表征，演示了太陽能電池中的任何反溶劑實(shí)現(xiàn)高性能三陽離子的通用方法，確定了不同類別的反溶劑對(duì)鈣鈦礦膜形成的影響。

該研究團(tuán)隊(duì)表示，影響鈣鈦礦層質(zhì)量由兩個(gè)關(guān)鍵因素決定。通過將有機(jī)前體在反溶劑中的溶解度、及其與主體溶劑的混溶性鈣鈦礦前驅(qū)體溶液結(jié)合在一起，可以在反溶劑施加步驟中產(chǎn)生速率依賴性的行為。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過更改反溶劑應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間，可將某些反溶劑的設(shè)備性能從無功能的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）提高到 21％ 以上。

圖丨鈣鈦礦太陽能電池的沉積過程和結(jié)構(gòu)（來源：Nature Communications）

該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，“在鈣鈦礦膜形成的過程中會(huì)對(duì)光伏器件的再現(xiàn)性產(chǎn)生影響。當(dāng)從溶液中沉積鈣鈦礦層時(shí)，將反溶劑滴到鈣鈦礦溶液上以觸發(fā)其結(jié)晶?！?/p>

“我們發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦暴露于抗溶劑的持續(xù)時(shí)間對(duì)最終設(shè)備的性能產(chǎn)生了巨大的影響，該變量直到現(xiàn)在還沒有引起人們的注意?！痹撗芯繄F(tuán)隊(duì)研究助理、論文第一作者 Alexander D.Taylor 博士說，“這與以下原因有關(guān)：這與某些反溶劑至少可以部分溶解鈣鈦礦層的前體，從而改變其最終組成有關(guān)。此外，反溶劑與鈣鈦礦溶液溶劑的混溶性會(huì)影響其觸發(fā)結(jié)晶的功效?！?/p>

圖丨鈣鈦礦 PV 性能與抗溶劑類型和施用率的關(guān)系（來源：Nature Communications）

該研究團(tuán)隊(duì)制造其 PV 器件時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種反溶劑步驟的差異可能導(dǎo)致所觀察到的性能上的不可再現(xiàn)性。研究人員對(duì)各種潛在的反溶劑進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明通過控制這些現(xiàn)象，可以從所有測(cè)試的候選對(duì)象中獲得最尖端的性能。

“通過確定影響鈣鈦礦活性層質(zhì)量的關(guān)鍵抗溶劑特性，我們還能夠預(yù)測(cè)新型反溶劑的最佳工藝，從而消除了本領(lǐng)域常見的反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化的需要。”來自德累斯頓電子發(fā)展中心的 Fabian Paulus 博士補(bǔ)充說道。

“我們研究的另一個(gè)重要方面是，證明了反溶劑的最佳應(yīng)用如何能顯著拓寬鈣鈦礦光伏器件的可加工性范圍這一事實(shí)?！鳖I(lǐng)導(dǎo)該研究工作的 Vaynzof 教授表示，“我們的研究結(jié)果為鈣鈦礦研究界提供了寶貴的見解，這也許會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)商業(yè)化的發(fā)展?！?/p>

原文標(biāo)題：德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)制備鈣鈦礦太陽能電池的高效可復(fù)制方法

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