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研究背景

鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池是新一代高效光伏技術，因其高能量轉換效率（PCE）和成本效益成為了研究熱點。然而，其在實際應用中存在穩定性和材料缺陷等問題，影響了其商業化進程。優先考慮穩定性而不僅僅是提高性能，對于降低鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的平準化電力成本至關重要。同時，鈣鈦礦頂電池中的晶體缺陷和薄膜不均勻性也需要盡量減少，以充分發揮其潛力。

成果簡介

有鑒于此，沙特阿卜杜拉國王科技大學的Esma Ugur（一作兼通訊）、Erkan Aydin和Stefaan De Wolf等人合作在Science期刊上發表了題為“Enhanced cation interaction in perovskites for efficient tandem solar cells with silicon”的最新研究論文。他們提出了一種通過在鈣鈦礦前體溶液中添加二氯化亞甲基銨的策略。該方法在薄膜結晶過程中將原位形成的四氫三嗪（THTZ-H⁺）摻入鈣鈦礦晶格中。THTZ-H⁺陽離子的環狀結構使其能夠通過與碘化物在多個方向上形成氫鍵，與鈣鈦礦晶格中的鉛八面體發生強相互作用，從而提高了材料的熱光穩定性和器件的功率轉換效率（PCE）。

研究結果表明，通過THTZ-H⁺的優化摻雜，單片鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池在1平方厘米的器件面積內達到了33.7%的獨立認證PCE。此外，1.68電子伏鈣鈦礦在85°C、1個太陽光照條件下長期光照和熱暴露下表現出了優異的相穩定性。這一研究不僅解決了鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池中的關鍵問題，還為其商業化應用提供了新的技術路徑和理論依據。

研究亮點

1. 實驗首次使用二氯化亞甲基銨作為鈣鈦礦前體溶液的添加劑，得到了原位形成的四氫三嗪 (THTZ-H⁺) 摻入鈣鈦礦晶格中的結果

通過在鈣鈦礦前體溶液中添加二氯化亞甲基銨，使四氫三嗪 (THTZ-H⁺) 在薄膜結晶過程中原位形成并摻入鈣鈦礦晶格中。這一過程的創新在于THTZ-H⁺?陽離子的環狀結構能夠與碘化物形成多方向的氫鍵，從而與鈣鈦礦晶格中的鉛八面體發生強相互作用。這種結構顯著提高了鈣鈦礦的晶體質量和穩定性。

2. 實驗通過THTZ-H⁺陽離子的摻雜，顯著提高了鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的PCE和穩定性，得到了更高效、更耐久的太陽能電池

通過摻雜THTZ-H⁺陽離子，實驗結果表明，1.68電子伏鈣鈦礦在85°C、1個太陽光照條件下長時間光照和熱暴露下的相穩定性顯著提升。此外，摻雜THTZ-H⁺的單片鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池在1平方厘米的器件面積內達到了獨立認證的33.7%的PCE。這一結果表明，THTZ-H⁺的摻雜不僅改善了鈣鈦礦的光電性能，還增強了其在嚴苛條件下的長期穩定性。

3. 實驗首次展示了THTZ-H⁺的摻雜對鈣鈦礦薄膜光電特性的提升作用，得到了均勻的光致發光發射和增強的光電性能

通過將微量的二氯化亞甲基銨摻雜到鈣鈦礦薄膜中，保持帶隙不變的同時，顯著提升了載流子的壽命和擴散長度。優化后的旋涂工藝實現了均勻的光致發光（PL）發射和增強的光電性能。這些改進使得鈣鈦礦薄膜在光電轉換過程中表現出更高的效率和穩定性。

4. 實驗通過THTZ-H⁺的摻雜，證實了鈣鈦礦太陽能電池在高溫和光照條件下的長期穩定性，得到了在嚴苛條件下仍能保持高初始性能的器件

實驗結果顯示，THTZ-H⁺的摻雜顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池在高溫和強光照條件下的熱光穩定性。目標器件在嚴苛條件下保持高比例的初始性能，展現了長期使用壽命和改進潛力。

圖文解讀

圖1：?將THTZ-H⁺陽離子加入1.68 eV鈣鈦礦吸收劑中。

圖2：工藝優化后鈣鈦礦薄膜的光電性能。

圖3：?鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的結構與性能。

圖4：在織構化硅上，鈣鈦礦薄膜的穩定性。

結論展望

本文的研究成果對鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的開發和優化提供了重要的價值。通過在鈣鈦礦前體溶液中添加二氯化亞甲基銨，使得在薄膜結晶過程中，原位形成的四氫三嗪 (THTZ-H⁺) 能夠摻入鈣鈦礦晶格中，增強了鈣鈦礦的晶體結構穩定性。THTZ-H⁺?陽離子的環狀結構通過與碘化物形成多向氫鍵，與鈣鈦礦晶格中的鉛八面體強烈相互作用，有效鈍化了晶體缺陷，減少了薄膜不均勻性。這種方法不僅提高了鈣鈦礦材料的功率轉換效率（PCE），在85°C、1個太陽光照條件下表現出優異的相穩定性，而且實現了1平方厘米器件面積內高達33.7%的獨立認證PCE。這一研究結果表明，適當的前體添加劑選擇和晶格摻雜技術是優化鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池性能的關鍵，具有廣闊的應用前景。

文獻信息

Esma Ugur et al. ,Enhanced cation interaction in perovskites for efficient tandem solar cells with silicon.Science385,533-538(2024).DOI:10.1126/science.adp1621。

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