來自香港城市大學的Prof. Alex Jen研究團隊共同完成了一項研究：一種雙層界面工程技術，旨在提升倒置型鈣鈦礦太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。Prof. Alex Jen通過結合2D/3D鈣鈦礦結構和表面偶極子的設計，解決了大面積太陽能組件中常見的問題，如表面缺陷的鈍化和能量水平對齊的問題。
摘要
Prof. Alex Jen研究團隊通過2D/3D鈣鈦礦結構和表面偶極子的設計，開發(fā)了一種雙層界面工程技術，用于提升倒置型鈣鈦礦太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。具體來說，他們使用了苯乙基銨碘化物（PEAI）和PI來形成2D/3D異質(zhì)結，并在鈣鈦礦薄膜表面形成表面偶極子，從而改善了能量水平對齊，降低了陷阱態(tài)密度，并提高了對環(huán)境壓力因素的穩(wěn)定性。此外，上層的PI層能夠在2D/3D鈣鈦礦表面上形成表面偶極子，優(yōu)化能量水平對齊。這種雙層界面工程能夠?qū)崿F(xiàn)大面積鈣鈦礦薄膜的均勻表面形態(tài)、較低的陷阱態(tài)密度以及對環(huán)境壓力因素的穩(wěn)定性。最終的器件在小面積上的光電轉換效率（PCE）達到25.20%，大面積（1 cm2）的PCE為23.96%，而組件（5×5 cm2，有效面積14.28 cm2）的PCE為23.19%，這些結果在倒置型鈣鈦礦太陽能組件中處于水平之上。此外，器件在45℃的MPP跟蹤1280小時后仍能保持超過93%的初始效率，顯示出良好的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。這項研究為高效、穩(wěn)定的大面積鈣鈦礦太陽能電池制造提供了寶貴的見解。
研究目的
本研究旨在通過雙層界面工程技術來提升倒置型鈣鈦礦太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。Prof. Alex Jen研究團隊專注于2D/3D鈣鈦礦結構和表面偶極子的設計，以優(yōu)化界面特性，從而實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）。研究的重點在于解決大面積太陽能組件中常見的問題，如表面缺陷鈍化和能量水平對齊的改善。此外，研究還探索了這種技術在大面積條件下的可擴展性和性能保持，并通過實驗和理論分析揭示了界面工程的機制，為未來高性能太陽能電池的制造提供了寶貴的見解。
Fig. 4a: 展示了倒置型PSCs的裝置結構，這是一個基本的參考圖，用來描述實驗中使用的太陽能電池的層疊結構。
Fig. 4b: 顯示了具有不同活性面積的PSCs的J-V曲線，這些曲線用來評估太陽能電池的性能，包括開路電壓（VOC）、短路電流密度（JSC）、填充因子（FF）和光電轉換效率（PCE）。
Fig. 4d, 4e, and Fig. S11: 這些圖表展示了經(jīng)過雙層處理的PSCs的光電參數(shù)的統(tǒng)計分析，包括PCE、VOC和FF的分布情況，用以證明處理後的裝置具有良好的重現(xiàn)性和性能提升。
Fig. 4f: 這張圖顯示了PEAI和PI溶液濃度對裝置性能的影響，通過這個實驗，研究人員能夠確定最佳的處理條件。
Fig. 5a: 展示了倒置型鈣鈦礦太陽能迷你模塊的裝置結構，這是一個擴展到更大面積的應用。
Fig. 5b: 顯示了經(jīng)過雙層處理的迷你模塊的J-V曲線，以及一個5 cm × 5 cm迷你模塊的照片，用來展示裝置的實際大小和性能。
Fig. 5c: 提供了一個統(tǒng)計比較，對比了小於1cm2的裝置和大面積鈣鈦礦太陽能迷你模塊的VOC和FF，展示了雙層處理策略在大面積條件下的有效性。
Fig. 5d: 顯示了PSCs在65 °C黑暗條件下的PCE隨時間的變化，用來評估裝置的長期穩(wěn)定性。
Fig. 5e, 5f: 這些圖顯示了在不同溫度條件下（45 °C和85 °C），封裝後的裝置的最大功率點（MPP）跟蹤，用來評估裝置在工作條件下的熱穩(wěn)定性。
利用QE-R 太陽光模擬器來模擬標準的太陽光照條件（AM 1.5G）。這些實驗幫助研究人員評估了裝置在工作條件下的熱穩(wěn)定性。
SS-X太陽光模擬器的AM1.5G濾光片采用先進的等離子沉積技術制成，具有高光譜精度和出色的耐用性，使使用壽命延長三倍。
研究方法
本研究的核心是通過2D/3D鈣鈦礦結構和表面偶極子的設計來改善太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。具體方法包括使用苯乙基銨碘化物（PEAI）和PI來形成2D/3D異質(zhì)結，并在鈣鈦礦薄膜表面形成表面偶極子。這種方法有助于優(yōu)化能量水平對齊，降低陷阱態(tài)密度，并提高對環(huán)境壓力因素的穩(wěn)定性。
主要發(fā)現(xiàn)和結論
Prof. Alex Jen研究團隊開發(fā)了一種雙層界面工程技術，通過結合2D/3D鈣鈦礦結構和表面偶極子的設計，顯著提升了倒置型鈣鈦礦太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。這種技術不僅有效改善了太陽能組件的均勻性和持久性，還解決了表面缺陷鈍化和能量水平對齊的問題。研究結果顯示，隨著有效面積的增加，光電轉換效率（PCE）從25.20%到23.96%再到23.19%，損失最小，表明該技術具有良好的可擴展性。此外，研究還揭示了雙層界面工程的機制及其對太陽能組件性能的影響，為制造高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池提供了寶貴的見解。
文獻參考自Science_DOI: 10.1016/j.esci.2024.100308
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