华科校友一作+通讯！他，37岁当选院士，牛津大学，最新Nature！

研究背景

多结光伏（PV）因其能够有效提高太阳能转化效率，尤其是在减少载流子热化损失方面，成为了研究的热点。通过集成多个吸收带隙，串联光伏器件能够超越单结电池的辐射极限，实现更高的功率转换效率（PCE）。然而，尽管串联光伏技术取得了显著进展，特别是钙钛矿材料在二端子串联电池中的应用，但钙钛矿材料尤其是锡铅钙钛矿（Sn–Pb）材料的稳定性和光电性能仍面临挑战。锡铅钙钛矿材料易发生Sn(II)氧化为Sn(IV)，且晶化过程难以控制，这限制了其在高效光伏器件中的应用。

为了解决这些问题，牛津大学Henry J. Snaith教授（英国皇家学会院士）团队、Shuaifeng Hu（华中科技大学校友一作兼通讯）以及京都大学Atsushi Wakamiya携手在Nature期刊上发表了题为“Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics”的最新论文。

研究人员通过改善锡铅钙钛矿前驱体溶液的化学性质，提出了一种利用氨基酸盐（如甘氨酸盐酸盐）优化钙钛矿薄膜的方法。通过调控溶液中不同功能基团的相互作用，科学家们发现，羧酸和铵盐基团在薄膜的结晶和光电性能中发挥了关键作用。

此外，将这两种基团结合在同一分子中的氨基酸盐能显著提升钙钛矿薄膜的均匀性和半导体性能，从而改善器件效率。实验结果表明，通过这种优化的锡铅钙钛矿材料，研究人员成功制造出了单结、双结和三结太阳能电池，分别实现了23.9%、29.7%（认证值29.26%）和28.7%的PCE。

研究亮点

（1）实验首次通过优化锡铅钙钛矿前驱体溶液的化学组成，揭示了Sn(II)物种在前驱体和添加剂之间的主导作用，并明确了羧酸在调节溶液胶体性质和薄膜结晶中的独特作用。通过添加铵盐，显著改善了薄膜的光电性能。

（2）实验通过将氨基酸盐（如甘氨酸盐酸盐、苯乙铵氯化物等）应用于钙钛矿前驱体溶液，发现这些材料能够结合铵基和羧基两种功能团，显著提高了薄膜的均匀性和半导体质量，超越了单独使用这些功能团的效果。

（3）在优化后的锡铅钙钛矿层上，制备的单结、双结和三结光伏器件分别获得了23.9%、29.7%（认证值29.26%）和28.7%的功率转换效率（PCE）。特别是1cm²的三结器件在最大功率点跟踪（MPPT）测试中，达到了28.4%的PCE（认证值27.28%）。

（4）实验还制备了四结光伏器件，取得了27.9%的PCE，并获得了4.94V的开路电压。封装后的三结电池在860小时的最大功率点跟踪测试中，保持了80%的初始效率。

图文解读

图1：Sn–Pb钙钛矿前驱体溶液的化学性质

图2：Sn–Pb钙钛矿薄膜的形貌、晶体结构和电子特性

图3：Sn–Pb钙钛矿薄膜的光电性能表征

图4：太阳能电池器件

结论展望

本文揭示了前驱体溶液中Sn(II)物种的主导作用，并指出羧酸和铵基功能团在调节溶液胶体性质及薄膜结晶方面的独特贡献。这一发现为提高锡铅钙钛矿薄膜的均匀性和光电性能提供了理论支持。其次，作者通过氨基酸盐的引入，展示了氨基酸盐在改善薄膜半导体质量和光电性能方面的潜力，特别是结合了羧基和铵基的功能团，能够超越单一功能基团的效果。这一思路不仅提升了钙钛矿光伏器件的效率，还推动了多结光伏电池效率的进一步突破。最后，研究表明，通过优化薄膜材料和前驱体溶液的化学成分，能够有效提升多结光伏器件的稳定性和效率，为下一代高效太阳能电池的开发奠定了基础。该研究为全钙钛矿太阳能电池的进一步发展提供了新的思路和方法，有望推动光伏技术在能源转化领域的实际应用。

文献信息

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

原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/12/25/c2f8c1b0db/

华科校友一作+通讯！他，37岁当选院士，牛津大学，最新Nature！

相关推荐