Nature: 耐用的全無機(jī)鈣鈦礦串聯(lián)光伏電池

在太陽能電池的廣闊天地里，科學(xué)家們始終在探索更高效、更穩(wěn)定的材料與技術(shù)，以期將更多的陽光轉(zhuǎn)化為清潔的電能。近年來，全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池（IPTSCs）以其獨(dú)特的優(yōu)勢和潛力，成為了研究領(lǐng)域的熱門話題。今天，讓我們一同走進(jìn)一篇發(fā)表在《自然》雜志上的最新研究——《Durable all-inorganic perovskite tandem photovoltaics》，探索全無機(jī)鈣鈦礦疊層太陽能電池如何在耐用性與效率上實(shí)現(xiàn)雙重飛躍。

**一、**研究背景

1. 研究問題：本文探討了全無機(jī)鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池（IPTSCs）的效率提升與穩(wěn)定性問題，提出了一種新的配體演變（LE）策略，通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜的形成過程來克服現(xiàn)有無機(jī)窄帶隙（NBG）鈣鈦礦太陽能電池的效率瓶頸。

2. 研究難點(diǎn)：在制備2T IPTSCs時(shí)，存在薄膜形成不良和由于錫陽離子引起的深陷阱態(tài)等挑戰(zhàn)，這些問題導(dǎo)致了器件性能的下降和穩(wěn)定性不足。

3. 關(guān)鍵論點(diǎn)：

1. 采用PTSH作為配體，通過調(diào)節(jié)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，顯著提升了CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 :LE器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）至17.41%。

2. 將該NBG子電池與1.92 eV的CsPbI 2 Br寬帶隙子電池結(jié)合，形成的2T IPTSC展現(xiàn)出22.57%的最高效率。

3. 通過LE策略，器件在高溫條件下表現(xiàn)出卓越的耐久性，65°C下可保持80%的初始效率。

4. 相關(guān)工作：之前的研究表明，采用有機(jī)陽離子的鈣鈦礦材料在穩(wěn)定性和效率方面存在不足，而全無機(jī)鈣鈦礦材料在提高光電轉(zhuǎn)換效率和耐久性方面展現(xiàn)出良好的前景。

二、研究方法

本文的研究方法主要圍繞LE策略及其在鈣鈦礦薄膜制備中的應(yīng)用展開：

1. LE策略：采用p-對甲苯磺酰肼（PTSH）作為配體，通過調(diào)節(jié)其在鈣鈦礦薄膜中的作用，促進(jìn)了鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量。PTSH在低溫下與Pb2?/Sn2?陽離子形成配位復(fù)合物，調(diào)節(jié)薄膜的結(jié)晶過程。

2. 薄膜制備：通過調(diào)節(jié)PTSH的濃度，優(yōu)化了CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 :LE薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)了最佳的光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)中PTSH的最佳濃度為4.0 mg/ml。

3. 電池結(jié)構(gòu)：研究中使用了ITO/NiO x /鈣鈦礦/ZnO/PCBM/Ag的結(jié)構(gòu)配置，確保了電池的高效性能。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：

1. 數(shù)據(jù)收集：通過對不同濃度的PTSH進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集了CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 :LE薄膜的光電性能數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中使用的光照條件為模擬太陽光，強(qiáng)度為100 mW/cm2。

2. 樣本選擇：選擇了不同的鈣鈦礦樣本進(jìn)行比較，包括未添加LE的控制樣本和添加LE的樣本，以評估其光電性能的提升。

3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)定：在不同的溫度下進(jìn)行MPP跟蹤實(shí)驗(yàn)，以評估器件的長期穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 :LE樣本在65°C下經(jīng)過1,510小時(shí)后仍保持80%的初始效率。

4. 參數(shù)配置：在實(shí)驗(yàn)中，使用了不同的PTSH濃度（0.8-4.0 mg/ml）進(jìn)行薄膜制備，優(yōu)化了鈣鈦礦薄膜的光電性能。

四、結(jié)果與分析

本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用LE策略后，鈣鈦礦太陽能電池的性能顯著提升：

1. 光電性能提升：CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 :LE器件的PCE達(dá)到17.41%，相比于未添加LE的控制器件提高了5.05%。

2. 穩(wěn)定性分析：在高溫條件下，CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 :LE樣本的長期穩(wěn)定性顯著優(yōu)于控制樣本，后者在相同條件下僅保持37%的初始效率。

3. 結(jié)晶質(zhì)量提升：通過GIWAXS和SEM圖像分析，CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 :LE薄膜展現(xiàn)出更好的結(jié)晶質(zhì)量和更大的晶粒尺寸，表明LE策略有效改善了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)。

4. 電池性能對比：2T IPTSC的PCE達(dá)到22.57%，表現(xiàn)出優(yōu)于單結(jié)電池的性能，表明串聯(lián)技術(shù)在提高光電轉(zhuǎn)換效率方面的潛力。

五、總體結(jié)論

本文通過采用配體演變策略，成功提升了全無機(jī)鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 :LE器件在光電轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異，展示了無機(jī)鈣鈦礦材料在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景。未來的研究將進(jìn)一步探索不同配體和材料組合，以推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用。

六、論文點(diǎn)評

**（一）**優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)新

1. 本文提出了一種新的配體演變（LE）策略，通過調(diào)節(jié)無機(jī)窄帶隙（NBG）鈣鈦礦的薄膜形成，成功開發(fā)了高效的雙端（2T）無機(jī)鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池（IPTSCs），實(shí)現(xiàn)了22.57%的最高效率。

2. 研究展示了無機(jī)鈣鈦礦在光熱穩(wěn)定性和耐久性方面的顯著優(yōu)勢，特別是在高溫條件下保持了80%的初始效率，證明了其長期穩(wěn)定性。

3. 通過優(yōu)化鈣鈦礦的成分和結(jié)構(gòu)，成功克服了錫離子引起的深陷阱態(tài)問題，提升了光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和器件性能。

**（二）**不足與反思

1. 盡管本研究展示了LE策略的有效性，但對不同PTSH濃度的優(yōu)化過程和具體機(jī)制的闡述仍顯不足，可能影響結(jié)果的可重復(fù)性。

2. 本文未深入探討LE策略在其他類型鈣鈦礦材料中的適用性，限制了其廣泛應(yīng)用的可能性。

3. 盡管在高溫下表現(xiàn)出色，但在不同環(huán)境條件下（如濕度、光照強(qiáng)度等）的長期穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4. 文章中缺乏對比實(shí)驗(yàn)，未能充分展示與現(xiàn)有技術(shù)的性能差異，可能影響研究的說服力。