钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电转换效率和低成本制备，在过去十年间引发了广泛的研究热潮，并被认为是最有潜力替代传统硅太阳能电池的下一代光伏技术之一。 近年来，PSCs 的效率不断提升，并在 NREL 的效率认证数据中屡创新高。
加拿大多伦多大学 Edward H. Sargent 教授团队一直在该领域，他们在 2023 年底再次取得重大突破，其研发的倒置钙钛矿太阳能电池，能量转换效率达到惊人的 26.15%，并获得 NREL 认证的稳态效率，再次刷新了 NREL 的世界纪录，为该领域的發展注入了新的活力。
正置（n-i-p）结构与倒置（p-i-n）结构的差异
钙钛矿太阳能电池主要分为正置结构和倒置结构两种，它们在电极结构、制备温度、稳定性和光电转换效率等方面存在显著差异。
正置结构 (n-i-p): 电极结构为透明导电氧化物 (TCO) / 电子传输层 (ETL) / 钙钛矿层 / 空穴传输层 (HTL) / 金属电极。
倒置结构 (p-i-n): 电极结构为透明导电氧化物 (TCO) / 空穴传输层 (HTL) / 钙钛矿层 / 电子传输层 (ETL) / 金属电极。
两者的优缺点对比：
结构 优点 缺点
正置结构 成本较低，制备工艺相对简单。 环境稳定性较差，容易受潮气影响。
倒置结构 环境稳定性更好，可避免水分和氧气的直接接触钙钛矿层。 制备工艺相对复杂，成本较高。
近年来，倒置结构钙钛矿太阳能电池在稳定性方面表现出优势，并逐渐成为该领域的研究热点。
本研究使用设备
QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案
Sargent 教授团队的突破性研究
Sargent 教授团队的研究成果发表在国际顶尖期刊《Science》上。这项研究的突破在于使用拟卤素 (PH) 阴离子工程来实现钙钛矿材料的表面钝化，并利用双分子钝化策略，有效地解决了倒置钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性问题。
传统的表面钝化方法，通常采用有机分子或无机材料，这些材料只能钝化一种缺陷类型，例如，钝化供体缺陷或受体缺陷。而 Sargent 教授团队则利用机器学习算法，从超过 106 个拟卤素阴离子中筛选出 15 种具有双功能的拟卤素阴离子，这些阴离子可以同时钝化供体缺陷和受体缺陷，有效地減少了钙钛矿材料中存在的缺陷，提高了器件的效率和稳定性。
双分子钝化策略
Sargent 教授团队的研究重点是解決倒置结构钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿/C60 界面非辐射重组损失的问题。他们采用了双分子钝化策略，使用两种功能性分子来钝化表面缺陷，并控制电荷载流子的行为。
硫改性甲硫基分子： 这些分子通过强配位键和氢键，可以有效地钝化钙钛矿表面的缺陷，抑制非辐射重组。
二胺分子： 这些分子通过场效應钝化，可以排斥少数载流子，减少接触引起的界面重组。
这种双分子钝化策略，使得器件的载流子寿命延长了五倍，光致发光量子效率损失降低了三分之一。
光焱科技产品助攻研究突破
Sargent 教授团队在研究中使用了光焱科技 (Enlitech) 的 SS-X100 太阳光模拟器 和 QE-R 量子效率测试仪，这两款设备在钙钛矿太阳能电池的性能测试和评估中发挥了至关重要的作用。
SS-X100 太阳光模拟器可以精确模拟太阳光谱，为鈣鈦礦太陽能電池提供真实的测试环境，确保测试结果的准确性和可靠性。该设备模拟光谱的精度和稳定性，對於準確評估钙钛矿太阳能电池的性能至关重要。
QE-R 量子效率测试仪则可以测量不同波长光照下器件的外部量子效率 (EQE)，帮助研究人员分析光电转换过程，优化器件结构和材料选择。该设备能够提供关于器件在不同波长下光电转换效率的信息，帮助研究人员深入了解材料的光电特性，並优化器件設計，提高能量轉換效率。高效率、高穩定性的突破性成果
突破性的成果
Sargent 教授团队的努力最终获得了丰硕的成果，其研发的倒置钙钛矿太阳能电池，在 NREL 认证的稳态测试中，效率达到了 24.04%，並在實驗室測試中取得了 26.15% 的能量轉換效率。 此外，在 65°C 的环境温度下，器件在最大功率点 (MPP) 下运行超过 2000 小时，仍保持 96% 的初始效率。
效率纪录最高的单位及主要PI
目前，倒置钙钛矿太阳能电池的效率纪录保持者是美国西北大学和多伦多大学的联合团队。主要PI 为 Edward H. Sargent（多伦多大学）和 Bin Chen（西北大学）。
未來展望
Sargent 教授团队的突破性研究成果，为钙钛矿太阳能电池的实际应用开辟了新的道路。未来，研究人员将继续探索更有效的缺陷管理和離子渗透阻挡策略，并结合先进的表征手段和模拟计算，进一步提高钙鈦礦太陽能電池的效率和稳定性，推动该技术走向商业化应用。
本文參數圖:
Fig. S19_ 顯示了對照組和添加 4Cl-BZS 的器件的外部量子效率 (EQE) 光譜。重要性：EQE 光譜可以提供器件在不同波長光照下產生電流的效率資訊，顯示了添加劑對器件 EQE 的影響。
*本数据採用光焱科技-QE-R PV/太阳能电池量子效率测量系统((记载于SI文件中))*
Figure S20. 顯示了添加 4Cl-BZS 的器件的 EQE 光譜的微分圖。重要性：微分圖可以更清楚地顯示 EQE 光譜的變化趨勢，有助於分析器件性能的影響因素。
*本数据採用光焱科技-QE-R PV/太阳能电池量子效率测量系统((记载于SI文件中))*
原文出处: ACS Energy Lett. 2024, 9
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