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研究背景

多結光伏（PV）因其能夠有效提高太陽能轉化效率，尤其是在減少載流子熱化損失方面，成為了研究的熱點。通過集成多個吸收帶隙，串聯光伏器件能夠超越單結電池的輻射極限，實現更高的功率轉換效率（PCE）。然而，盡管串聯光伏技術取得了顯著進展，特別是鈣鈦礦材料在二端子串聯電池中的應用，但鈣鈦礦材料尤其是錫鉛鈣鈦礦（Sn–Pb）材料的穩定性和光電性能仍面臨挑戰。錫鉛鈣鈦礦材料易發生Sn(II)氧化為Sn(IV)，且晶化過程難以控制，這限制了其在高效光伏器件中的應用。

為了解決這些問題，牛津大學Henry J. Snaith教授（英國皇家學會院士）團隊、Shuaifeng Hu（華中科技大學校友一作兼通訊）以及京都大學Atsushi Wakamiya攜手在Nature期刊上發表了題為“Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics”的最新論文。

研究人員通過改善錫鉛鈣鈦礦前驅體溶液的化學性質，提出了一種利用氨基酸鹽（如甘氨酸鹽酸鹽）優化鈣鈦礦薄膜的方法。通過調控溶液中不同功能基團的相互作用，科學家們發現，羧酸和銨鹽基團在薄膜的結晶和光電性能中發揮了關鍵作用。

此外，將這兩種基團結合在同一分子中的氨基酸鹽能顯著提升鈣鈦礦薄膜的均勻性和半導體性能，從而改善器件效率。實驗結果表明，通過這種優化的錫鉛鈣鈦礦材料，研究人員成功制造出了單結、雙結和三結太陽能電池，分別實現了23.9%、29.7%（認證值29.26%）和28.7%的PCE。

研究亮點

（1）實驗首次通過優化錫鉛鈣鈦礦前驅體溶液的化學組成，揭示了Sn(II)物種在前驅體和添加劑之間的主導作用，并明確了羧酸在調節溶液膠體性質和薄膜結晶中的獨特作用。通過添加銨鹽，顯著改善了薄膜的光電性能。

（2）實驗通過將氨基酸鹽（如甘氨酸鹽酸鹽、苯乙銨氯化物等）應用于鈣鈦礦前驅體溶液，發現這些材料能夠結合銨基和羧基兩種功能團，顯著提高了薄膜的均勻性和半導體質量，超越了單獨使用這些功能團的效果。

（3）在優化后的錫鉛鈣鈦礦層上，制備的單結、雙結和三結光伏器件分別獲得了23.9%、29.7%（認證值29.26%）和28.7%的功率轉換效率（PCE）。特別是1cm2的三結器件在最大功率點跟蹤（MPPT）測試中，達到了28.4%的PCE（認證值27.28%）。

（4）實驗還制備了四結光伏器件，取得了27.9%的PCE，并獲得了4.94V的開路電壓。封裝后的三結電池在860小時的最大功率點跟蹤測試中，保持了80%的初始效率。

圖文解讀

圖1：Sn–Pb鈣鈦礦前驅體溶液的化學性質

圖2：Sn–Pb鈣鈦礦薄膜的形貌、晶體結構和電子特性

圖3：Sn–Pb鈣鈦礦薄膜的光電性能表征

圖4：太陽能電池器件

結論展望

本文揭示了前驅體溶液中Sn(II)物種的主導作用，并指出羧酸和銨基功能團在調節溶液膠體性質及薄膜結晶方面的獨特貢獻。這一發現為提高錫鉛鈣鈦礦薄膜的均勻性和光電性能提供了理論支持。其次，作者通過氨基酸鹽的引入，展示了氨基酸鹽在改善薄膜半導體質量和光電性能方面的潛力，特別是結合了羧基和銨基的功能團，能夠超越單一功能基團的效果。這一思路不僅提升了鈣鈦礦光伏器件的效率，還推動了多結光伏電池效率的進一步突破。最后，研究表明，通過優化薄膜材料和前驅體溶液的化學成分，能夠有效提升多結光伏器件的穩定性和效率，為下一代高效太陽能電池的開發奠定了基礎。該研究為全鈣鈦礦太陽能電池的進一步發展提供了新的思路和方法，有望推動光伏技術在能源轉化領域的實際應用。

文獻信息

Hu, S., Wang, J., Zhao, P. et al. Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics. Nature (2024).

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