太陽能電池是實現可持續發展的重要途徑， 但傳統的硅基太陽能電池在效率提升方面面臨挑戰，難以充分利用全部光譜。 近年來，鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、低成本和制備工藝簡單等優點，備受關注。 但是， 鈣鈦礦材料的穩定性問題以及復雜的環境因素， 一直是阻礙其大規模應用的關鍵問題。
為了突破這些限制， 科研人員不斷探索新的方法， 以提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。 然而，傳統的制備方法通常依賴人工操作， 無法精確控制所有關鍵參數，導致重復性差、效率不穩定。 近期，德國埃爾朗根-紐倫堡大學材料科學系 Christoph J. Brabec 教授團隊在Energy & Environmental Science 雜志發表了一篇突破性研究成果， 他們使用全新的 “自動設備加速平臺” (DAP)， 精確地操控了鈣鈦礦太陽能電池制備的關鍵參數， 并在常溫常壓的環境下成功地將電池效率提升至23% 以上。
【自動設備加速平臺： 為鈣鈦礦太陽能電池制備注入“精準”與“高效”的力量】
自動設備加速平臺 (DAP) 在鈣鈦礦太陽能電池研究中的應用帶來了多重優勢：
l 提高效率: 自動化設備能夠加快實驗和數據收集的速度，使研究人員能夠在更短時間內完成更多實驗。
l 提高精度和一致性: 自動化系統減少了人為操作誤差，保證了實驗條件的一致性，從而提高了實驗結果的可靠性和重復性。
l 節約成本: 通過自動化設備，可以減少人力成本和材料浪費，從而降低研究費用。
l 加速材料篩選和優化: 自動化平臺能夠快速篩選和優化鈣鈦礦材料的組合，從而加速新型高效太陽能電池材料的開發。
l 數據處理和分析: 自動化設備可以集成高級的數據處理和分析工具，實時分析實驗結果，提供有價值的反饋，幫助研究人員迅速調整實驗參數。
l 推動創新: 自動化平臺可以進行大規模高通量實驗，為鈣鈦礦太陽能電池的創新和新技術的突破提供了可能性。
【突破傳統效率， 在常溫常壓下取得突破性成果】
該團隊的核心突破在于使用了全新的自動設備加速平臺（DAP）。 該平臺可以同時控制多種工藝參數， 實現對鈣鈦礦薄膜制備過程的精準操控， 從而避免人工操作帶來的誤差， 保證實驗的可重復性。 他們使用 DAP 系統對制備鈣鈦礦太陽能電池的十余個關鍵工藝參數進行優化， 重點分析了有機銨鹵化物滴加速度對鈣鈦礦薄膜和電池性能的影響。
該研究表明，有機銨鹵化物的滴加速度對鈣鈦礦薄膜的 PbI2 殘留量以及器件的最終效率都具有顯著的影響。 滴加速度過快或過慢，都可能導致電池性能不理想。 通過研究團隊對關鍵參數的精細調整， 最終發現最佳的滴加速度（例如50 µL s?1）可以有效地提升電池性能。
利用 DAP 平臺， 結合科學的實驗設計， 最終成功優化了鈣鈦礦太陽能電池在常溫常壓條件下的制備工藝。 這一突破使得他們能夠建立一套無添加劑的標準操作程序 (SOP)， 能夠在環境溫度下穩定制備高效率 (超過 23%)、 高可重復性且具有光熱穩定鈣鈦礦電池。
為了對鈣鈦礦太陽能電池的量子效率進行精確的測量， 該團隊還使用了光焱科技的 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學儀。 QE-R 設備能夠在不同的波長下測量電池的外量子效率（EQE）， 精確地分析鈣鈦礦材料的光電轉換特性。
【開創新的太陽能技術： 前景無限】
該團隊的研究成果強調了深入理解工藝參數之間的因果關系對提升鈣鈦礦太陽能電池性能的重要性。 此外，他們的研究突顯了自動化平臺在探索創新制備流程和加速高性能鈣鈦礦太陽能電池技術開發中的關鍵作用。
Brabec 教授團隊， 通過對鈣鈦礦太陽能電池制備過程的精準操控， 實現了突破性的效率提升， 為鈣鈦礦太陽能技術的發展指明了新的方向。 這將促進更穩定的高效太陽能電池走向市場化， 幫助實現清潔能源的廣泛應用， 為人類的可持續發展做出更大的貢獻。
該團隊通過利用自動設備加速平臺（DAP）系統， 精確操控鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝， 并在常溫常壓條件下， 獲得了超過 23% 的電池效率， 實現了突破性的進步。 DAP 能夠有效地提升科研效率， 幫助科學家更快速地探索新材料和工藝， 并加快鈣鈦礦太陽能電池的開發和應用。
重要技術參數：
l 鈣鈦礦太陽能電池效率: > 23%
l 關鍵技術: 自動設備加速平臺 (DAP)
l 關鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀
埃爾朗根-紐倫堡大學_ Christoph J. Brabec教授
Christoph J. Brabec 教授是埃爾朗根-紐倫堡大學 i-MEET (Materials for Electronics and Energy Technology) 研究所所長。 他是世界上著名的材料科學家和納米技術專家， 專注于有機光電材料、太陽能電池、傳感器以及生物電子學領域的研究。發表了500多篇科研論文， 被引用次數超過70000次， 榮獲多個重要獎項。
參考文獻
Precise control of process parameters for >23% efficiency perovskite solar cells in ambient air using an automated device acceleration platform _ Energy & Environmental Science2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01432D
【本研究參數圖】
Fig 1. 自動制備流程和鈣鈦礦器件的統計性能示意圖。 (A) 采用兩步式循序沉積法自動制備鈣鈦礦薄膜的示意圖。 (B) PSCs 的結構 (ITO/SnO2/鈣鈦礦/Spiro-OMeTAD/Au)。 (C) 使用不同滴管高度（滴入 FAI/MACl 溶液時）制備的鈣鈦礦器件的性能統計數據匯總。 滴管高度分別為 0.5、1、2、4、6、10、15 和 30 mm。 (D) 鈣鈦礦器件的統計性能與鹵化銨滴速的函數關系。 滴速分別為 5、10、20、50、100、200、400 和 500 µL s?1。顯示器件結構、受控的制程參數以及所得到的器件性能變化，這些變化是參數的函數。 此圖有助于說明研究人員如何微調制備過程以獲得最佳結果。
Fig 2. 鈣鈦礦薄膜的結構表征和分析。 (A) 俯視 SEM 圖像（比例尺為 1 µm），(B) XRD 圖樣以及聚焦在 12.7° 附近的放大圖 (對應于 PbI2 相)，以及 (C) 使用不同有機鹵化銨溶液滴速制備的鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦相峰 (在 14°) 的衍射強度。 (D) 不同滴速對鈣鈦礦薄膜的形貌和結晶的影響示意圖。所制備的鈣鈦礦薄膜的結構分析，重點關注其形貌、晶體結構以及這些方面如何受到不同滴速的影響。
Fig 4. 優化器件的表征。 (A) 器件的 J-V 曲線。 插入文字提供了性能信息。 旋轉速度組合為 1300 rpm × 1750 rpm，滴速為 50 µL s?1。 (B) 優化器件的 EQE 光譜和積分 Jsc。 (C) 使用優化參數制備的器件的 J-V 曲線和 PCE 分布直方圖 (28 個電池)。 (D) 未封裝器件在模擬 AM 1.5G 照明下，在周圍空氣中進行約 300 秒的 MPP 跟蹤，并連續通入氮氣。 數據是在 Jmpp 下收集的，并使用 0.908 V 的恒定電壓 (Vmpp)。 (E) 長期穩定性測試的結果。 樣品在充氮腔室內，在 60–65 °C 下進行測試，并使用連續的金屬鹵化物燈照明 (83 mW cm?2)，方向相反。描繪了優化器件的性能特性。 這包括 J-V 曲線、EQE、PCE 分布和穩定性測試。 此圖顯示了優化制程在創造高性能器件方面的成功。
Fig S16. 使用不同滴速制備的薄膜的 PL 光譜。 滴速分別為 5 到 500 µL/s。 在每部電影上都測量了具有規律圖案的 13 個點。不同滴速對鈣鈦礦薄膜的影響，可能說明了受控滴速如何影響薄膜的光學特性。
Fig.S21. 具有和沒有 PEAI 鈍化層的鈣鈦礦器件的 J-V 曲線。比較了具有和沒有鈍化層的器件的性能，展示了鈍化策略在提高器件性能方面的有效性。
推薦設備
QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
具有以下特色優勢：
l 高精度: QE-R 系統采用高精度光譜儀和校準光源，確保 EQE 測量的準確性和可靠性。
l 寬光譜范圍:QE-R 系統的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。
l 快速測量:QE-R 系統具有快速掃描和數據采集功能，能夠高效地進行 EQE 光譜測量。
l 易于操作:QE-R 系統軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學者也能輕松上手。
l 多功能:QE-R 系統不僅可以進行 EQE 測量，還可以進行反射率、透射率等光學特性的測量，具有多功能性。
文獻參考自 Energy & Environmental Science2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01432D
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