在太陽(yáng)能技術(shù)不斷發(fā)展的領(lǐng)域中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）因其出色的光電特性而成為一個(gè)有前途的競(jìng)爭(zhēng)者。然而，挑戰(zhàn)在于開發(fā)可商業(yè)化的可擴(kuò)展制造技術(shù)。在一項(xiàng)重大突破中，中南大學(xué)物理與電子學(xué)院副院長(zhǎng)陽(yáng)軍亮教授所率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)引入了一種新型添加劑——甲胺鹽酸鹽（MACl），以調(diào)節(jié)兩步序列刮刀法鈣鈦礦薄膜的晶化和定向。這種創(chuàng)新的方法極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，使其具有令人矚目的23.14%的轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的潛力：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其高吸收系數(shù)、長(zhǎng)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和低陷阱密度而成為密集研究的對(duì)象。這些特性使得PSCs的認(rèn)證PCE達(dá)到25.7%。然而，大多數(shù)高效率的PSCs是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的旋涂沉積制備的。雖然這種方法在受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中被證明是有效的，但對(duì)于工業(yè)應(yīng)用而言，它不具備可擴(kuò)展性。因此，發(fā)展可擴(kuò)展的大面積制造技術(shù)對(duì)于PSCs的商業(yè)化至關(guān)重要。
可擴(kuò)展性的挑戰(zhàn)：PSCs可擴(kuò)展的兩步序列沉積制造的電池的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于的旋涂法制備的電池。兩步序列沉積工藝涉及有機(jī)鹽與鉛鹵化物反應(yīng)，繞過(guò)了鈣鈦礦薄膜在一步過(guò)程中不可控的成核過(guò)程。然而，中南大學(xué)物理與電子學(xué)院副院長(zhǎng)陽(yáng)軍亮教授所率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)就是解決這種性能差異。
甲胺鹽酸鹽（MACl）的作用：該研究團(tuán)隊(duì)引入MACl以調(diào)節(jié)兩步序列刮刀法鈣鈦礦薄膜的晶化和定向。MACl在改善鈣鈦礦薄膜質(zhì)量方面起著關(guān)鍵作用。它增加了晶粒尺寸和結(jié)晶度，從而降低了陷阱密度并抑制了非輻射復(fù)合。非輻射復(fù)合是太陽(yáng)能電池中的一個(gè)重要損耗機(jī)制，吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能而不是電能。通過(guò)抑制非輻射復(fù)合，MACl顯著提高了太陽(yáng)能電池的效率。
此外，MACl促進(jìn)了鈣鈦礦薄膜(100)面向上的優(yōu)先定向。這種定向更有利于載流子的傳輸和收集，從而顯著提高了填充因子。填充因子是太陽(yáng)能電池的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，代表電池的最大可獲得功率，并指示電池的質(zhì)量。填充因子越高，太陽(yáng)能電池的效率越高。
令人印象深刻的結(jié)果：引入MACl導(dǎo)致基于ITO/SnO2/FA1-xMAxPb(I1-yBry)3/Spiro-OMeTAD/Ag結(jié)構(gòu)的PSCs取得了23.14%的最佳轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)是PSCs的常見架構(gòu)，其中ITO/SnO2是電子傳輸層，F(xiàn)A1-xMAxPb(I1-yBry)3是鈣鈦礦吸收層，Spiro-OMeTAD是空穴傳輸層，Ag是電極。該研究團(tuán)隊(duì)還分別實(shí)現(xiàn)了1.03 cm2的PSC和10.93 cm2的小型模塊的PCE，分別達(dá)到21.20%和17.54%。這些結(jié)果代表了大規(guī)模兩步序列沉積高性能PSCs在實(shí)際應(yīng)用中的重大進(jìn)展。
研究的影響：中南大學(xué)物理與電子學(xué)院副院長(zhǎng)陽(yáng)軍亮教授所率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)的研究在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的可擴(kuò)展制造技術(shù)發(fā)展中邁出了重要一步。引入MACl來(lái)調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜的晶化和定向被證明是一個(gè)改變游戲規(guī)則的舉措，極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，并顯著提高了轉(zhuǎn)換效率。
此外，該研究團(tuán)隊(duì)采用了Enlitech光焱科技的SS-X太陽(yáng)光模擬器來(lái)測(cè)試太陽(yáng)能電池的性能。SS-X模擬器采用氙氣短弧燈作為寬帶光源，具備A+級(jí)別的光譜模擬能力，并提供多種光斑面積選擇，范圍從50mm到220mm。該模擬器具有自動(dòng)變光強(qiáng)功能，精度高達(dá)1%。它還具備可變光譜功能，適用于測(cè)試疊層太陽(yáng)能電池。使用先進(jìn)的等離子沉積技術(shù)制造的AM1.5G濾光片確保光譜精度高，并具有長(zhǎng)使用壽命。
SS-X模擬器的*光譜等級(jí)使其比其他模擬器更適合表征各種新型太陽(yáng)能電池，例如低帶隙有機(jī)太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦/Si串聯(lián)太陽(yáng)能電池。SS-X模擬器能夠提供穩(wěn)定且連續(xù)的照射強(qiáng)度，避免由于被測(cè)試太陽(yáng)能電池的響應(yīng)時(shí)間較慢而引起的表征誤差。
兩步刮刀法制備的鈣鈦礦薄膜的表征。
a. 濕態(tài)原始鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。b. 熱退火后的鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。c. 穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）發(fā)射光譜。d. 時(shí)間分辨PL衰減曲線。
使用不同MACl比例制備的兩步刮刀法鈣鈦礦薄膜的PSCs的光伏性能和光電特性。
a. 典型PSCs的J-V曲線和相應(yīng)參數(shù)。b. PSCs的Voc光強(qiáng)依賴關(guān)系。c. PSCs的莫特-肖特基圖譜。d. 填充因子限制包括非輻射損耗（藍(lán)色區(qū)域）和傳輸損耗（粉色區(qū)域）。e. 鈣鈦礦薄膜的空間電荷限流（SCLC）測(cè)量。f. EIS的Nyquist圖譜。
Performance of OAI-modified PSCs and mini-module.
a. J-V曲線。b. 在最大功率點(diǎn)（MPP）測(cè)量的穩(wěn)定功率輸出。c. 在約30%相對(duì)濕度的環(huán)境條件下，未封裝的OAI改性器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量。d. 1.03 cm2 PSCs和10.93 cm2 mini-module的J-V曲線。插圖為1.03 cm2 PSCs和10.93 cm2 mini-module的圖片。
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