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從Nature、Joule和EES等頂刊發文看太陽能電池最新進展

來源：科學10分鐘時間：2021-08-10 14:02:10 瀏覽：3939次

引言

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置，是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片，又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，在物理學上稱為太陽能光伏。其基本原理是，當太陽光照在半導體p-n結上時，形成新的空穴-電子對，在p-n結內建電場的作用下，光生空穴流向p區，光生電子流向n區，接通電路后就可產生電流。

目前，太陽能電池主要以半導體材料為基礎，根據太陽能電池的基本特性，可以將其劃分為硅太陽能電池；以無機鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；功能高分子材料制備的太陽能電池；納米晶太陽能電池等幾大類。隨著傳統化石能源的枯竭，對太陽能、生物質能等綠色新能源的開發迫在眉睫，對太陽能電池的研究也逐漸成為當前學術領域的焦點之一。

國內外許多太陽能電池領域的工作者共同推進了該領域的發展，鑒于此，筆者一覽國內外頂級期刊上近期對太陽能電池的研究，介紹解讀了其中部分有關太陽能電池的最新研究成果，希望能給相關科研工作者帶來一絲啟發。

最新成果速覽

1、Nature：鈣鈦礦太陽能電池有機中間層的CO₂摻雜

在鈣鈦礦太陽能電池中，摻雜有機半導體常被用作光敏層和電極之間的電荷提取中間層。空穴導電層中最常用的半導體是π-共軛小分子2,2′,7,7′-四基(spiro-OMeTAD)，它的電性能直接決定著太陽能電池的電荷收集效率。為了提高該半導體的電導率，最常采用的方法是采用雙(三氟甲烷)磺酰亞胺鋰(LiTFSI)摻雜，但這種方法耗時較長且受環境影響較大。

基于此，紐約大學的Taylor等人^[1]設計了一種快速且可重復的摻雜方法，作者在紫外光下用CO₂鼓泡spiro-OMeTAD: LiTFSI溶液。CO₂從光激發的spiro-OMeTAD中獲得電子，迅速促進其p型摻雜并產生碳酸鹽沉淀。經過CO₂處理的中間層的電導率比原始中間層高約100倍，同時無需任何后處理即可得到穩定、高效的鈣鈦礦太陽能電池。這種摻雜過程將太陽能器件的制造時間縮短了幾個小時，同時從太陽能電池中去除了副反應產生的有害化合物。研究結果表明，這種方法同樣可以用于π共軛聚合物的摻雜。

圖1氣體輔助摻雜過程及產物的光學性質

2、Nature Energy：多晶CdSeTe太陽能電池的低溫有效非原位摻雜

多晶CdTe光伏器件的光電轉換效率（PCE）已超過22%，是目前商用最成功的薄膜太陽能電池技術之一。CdTe基光伏組件的制造工藝包括三個關鍵步驟：吸光層（CdTe或CdSe/CdTe）的快速沉積（~600 °C）、CdCl₂處理（~400 °C）和Cu摻雜（~200 °C）。其中，Cu摻雜能夠增加吸光層中的空穴濃度，是目前高效CdTe太陽能電池的主流技術。但是Cu摻雜有以下缺點：（1）由于補償性缺陷的存在，Cu摻雜只能產生~10¹⁴ cm^-3的低空穴密度；（2）Cu離子容易在CdTe薄膜中遷移和擴散，可能引起模塊不穩定。

理論研究表明，V族元素（磷、砷、銻和鉍）摻雜技術能夠克服Cu摻雜的兩個主要缺點。目前，高效V族元素摻雜的CdTe太陽能電池主要采用原位摻雜技術，即在CdTe薄膜沉積過程中使用Cd₃V₂或者V₂Te₃共價化合物作為摻雜劑進行摻雜。該技術需要復雜的后續高溫退火過程來激活摻雜劑，到目前為止，仍然沒有高效可行的非原位摻雜工藝問世。

基于此，美國阿拉巴馬大學的Yan等人^[2]報道了一種新的高效非原位摻雜技術，即使用一系列V族高離子性材料（即V族氯化物（VCl₃），如PCl₃、AsCl₃、SbCl₃和BiCl₃）作為摻雜前驅體，在低溫條件下實現了有效的非原位V族元素摻雜。結果表明，使用該技術可獲得高達5.88%的摻雜元素活化率，并實現了大于2×10¹⁵ cm^-3的空穴濃度和高于20 ns的載流子壽命。最終獲得了開路電壓（V_OC）高達863 mV的V族摻雜CdSeTe太陽能電池，高于Cu摻雜器件的852 mV。更重要的是，該技術與當前工業生產線上的低溫非原位Cu摻雜工藝完全兼，從而為低成本制備V族元素摻雜的多晶CdTe太陽能電池提供了可能，也為CdTe薄膜太陽能電池的研究開辟了新方向。

圖2多晶CdSeTe太陽能電池中的低溫非原位摻雜示意圖

3、Joule：效率超過15%的Cu(In, Ga)S₂薄膜太陽能電池

隨著科學技術的發展，光伏器件的效率每年都在提高，正在逐漸接近其理論極限。為了進一步的提高太陽能電池的性能，串聯太陽能電池被認為是一種可行的方法。目前，優異電池的主要標準是合適的帶隙、高的效率和穩定性。硫化黃銅礦Cu(In, Ga)S2由于其在1.5~2.4 eV之間的可變帶隙，受到了極大的關注。Cu(In, Ga)S2采用了與高效Cu(In, Ga)Se2類似的黃銅礦結構。

盡管使用Cu(In, Ga)(S, Se)2實現了23.35%的高光電轉換效率（PCE），但迄今為止，純硫化物Cu(In, Ga)S2太陽能電池的最高PCE仍被限制在15.5%。因此，確定損失的原因對于提高對純硫化物Cu(In, Ga)S2黃銅礦的認識，進而提高其性能具有至關重要的意義。分析認為，Cu(In, Ga)S2的主要問題是體相和界面處的光電壓(Voc) 損失。

有鑒于此，盧森堡大學Susanne等人[3]通過光致發光、陰極發光、電測量和從頭建模的組合，解決了體相和界面損耗，以改善1.6 eV帶隙的Cu(In, Ga)S2的器件性能。降低[Cu]/[Ga+In] (CGI)比值后，吸收體的光電質量得到改善。這主要歸因于抑制深缺陷、更高的準費米能級分裂(QFLS)、提高電荷載流子壽命和較高的Voc。進一步通過比較各種固有缺陷的形成能量，將反位CuIn/CuGa 確定為限制性能的主要深度缺陷。在貧銅器件中使用Zn(O, S) 緩沖層抑制界面復合，使復合活化能等于帶隙值。最終開發了無H2S、無Cd和無KCN工藝的Cu(In, Ga)S2的器件制備，器件的效率為15.2%，Voc為902 mV。

圖3 Cu(In, Ga)S₂薄膜太陽能電池的結構

4、Advanced Functional Materials：具有優異的單位重量功率性能的超柔性有機太陽能電池

輕薄柔性有機太陽能電池（OSCs）一直是新一代電源最有前景的選擇之一，特別是對于可穿戴電子系統（如電子紡織品和合成皮膚）。有機光伏材料的高消光系數和良好的延展性使得電池設計可以變得非常薄（通常低于300 nm），并且其與超薄塑料襯底具有良好兼容性，這引起了科研人員的極大關注。目前，新材料和新工藝的不斷涌現，使得剛性OSCs的能量轉換效率（PCE）得到迅速提高，但超薄超輕OSCs的發展仍然滯后，這極大限制了其在機械柔性方面的獨特優勢。通過三元策略在活性層中引入具有延展性的第三組分材料或增加共混膜的無定型區域，非常有利于器件中機械應力的消散，從而同時提高器件的PCE和機械柔韌性。

有鑒于此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所葛子義團隊^[4]通過在聚合物給體D18-Cl和受體Y6二元體系中引入各向同性的第三組分PC₇₁BM受體，調控三元體系的薄膜形貌和光吸收。研究發現，引入無定型構象的PC₇₁BM客體可以減弱Y6受體的結晶和聚集，從而減輕共混薄膜的剛性和脆性。活性層延展性的增加非常有益于提高柔性器件的機械柔韌性。基于D18-Cl:Y6:PC₇₁BM的三元活性層，PC₇₁BM的引入增強了薄膜在300 nm～500 nm范圍的光吸收，提高了器件的光伏性能。該輕薄柔OSCs獲得了穩定的15.5%效率，在沒有封裝的情況下，重量為 4.83 g m^-2的單位重量功率達到了 32.07 W g^-1。經過 800 次連續拉伸-壓縮循環后測試，仍能保持初始PCE的83%。這項工作對于能經受隨機褶皺變形而不損壞柔性器件的發展至關重要。

圖4 二元和三元共混薄膜的形態演變示意圖

5、Energy & Environmental Science：CsPbI₃鈣鈦礦量子點太陽能電池效率突破16%

目前，無機CsPbI₃鈣鈦礦量子點(PQD)在光伏領域顯示出巨大的應用前景。然而，鈣鈦礦量子點的表面基質在使用反溶劑的純化過程中存在顯著惡化現象，這在很大程度上影響了鈣鈦礦量子點太陽能電池的光電性能和穩定性。

有鑒于此，北京航天航空大學張曉亮團隊^[5]引入了“表面基質固化”（SMC）策略來恢復CsPbI₃鈣鈦礦量子點的表面基質。使用叔丁基碘（TBI）和親核試劑三辛基膦（TOP）的親核取代反應基本上恢復了具有碘化物空位的鈣鈦礦量子點表面基質，這可以產生足夠的碘離子來填充鈣鈦礦量子點表面基質的碘化物空位。通過這種策略，鈣鈦礦量子點太陽能電池的光電性能和穩定性得到了很大的改善。

結果顯示，鈣鈦礦量子點太陽能電池的光電轉換效率提高至16.21%（穩定功率輸出效率為15.45%），這是截止發文前無機CsPbI₃ 鈣鈦礦量子點太陽能電池中的最高值。鈣鈦礦量子點太陽能電池中光伏性能的提高歸因于顯著抑制了由鈣鈦礦量子點表面缺陷引起的電荷載流子復合。這項工作提供了對鈣鈦礦量子點表面化學的重要研究見解，并為實現高性能鈣鈦礦量子點光電器件提供了新途徑。

圖5 PQDs的表面基質固化設計及結構表征

6、Nature：通過增強電荷載流子管理來提高鈣鈦礦太陽能性能

金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs），是一種新興的光伏技術，有可能顛覆成熟的硅太陽能電池市場。在過去的幾年中，由于制造規程、化學成分和相位穩定方法的發展，器件性能有了很大的改善，使PSCs成為最高效和最低成本的光伏技術之一。然而，PSCs器件的綜合性能仍然受到過多載流子復合的限制，相對較低的填充因子和較高的開路電壓也嚴重影響了PSCs的性能。其中，電荷載流子管理的改進與填充因子和開路電壓密切相關，從而為提高PSCs的器件性能，并達到其理論效率極限，提供了一條途徑。

有鑒于此，美國麻省理工學院的Moungi等^[6]報告了一種通過增強電荷載流子管理，來提高PSCs性能的完整方法。作者首先通過調節化學鍍液沉積的二氧化錫（SnO₂），得到了一個理想的薄膜覆蓋、厚度和組成的電子傳遞層。隨后，作者將塊和接口之間的鈍化策略解耦，從而改善性能，同時最小化帶隙損失。在正向偏壓中，器件表現出高達17.2%的電致發光外量子效率和高達21.6%的電致發光能量轉換效率。作為太陽能電池，它有著25.2%的能量轉換效率，相當于其帶隙熱力學極限的80.5%。這項工作為今后高效PSCs的發展提供了借鑒。

圖6 氧化錫膜的合成與表征

參考文獻

[1] Kong, J., Shin, Y., R?hr, J.A. et al. CO₂ doping of organic interlayers for perovskite solar cells. Nature 594, 51–56 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03518-y.

[2] Li, DB., Yao, C., Vijayaraghavan, S.N. et al. Low-temperature and effective ex situ group V doping for efficient polycrystalline CdSeTe solar cells. Nat Energy (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00848-z.

[3] Sudhanshu Shukla, Mohit Sood, Damilola Adeleye, et al. Sudhanshu Shukla et al. Over 15% efficient wide-band-gap Cu(In, Ga)S₂ solar cell: Suppressing bulk and interface recombination through composition engineering, Joule, 2021. https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.05.004.

[4] Wei Song, Kuibao Yu, Erjun Zhou, et al. Crumple Durable Ultraflexible Organic Solar Cells with an Excellent Power-per-Weight Performance. Adv. Funct. Mater. 2021, 2102694. DOI: 10.1002/adfm.202102694.

[5] Donglin Jia, Jingxuan Chen, Xinyi Mei, et al. Surface Matrix Curing of Inorganic CsPbI₃ Perovskite Quantum Dots for Solar Cells with Efficiency over 16%. Energy Environ. Sci., 2021. doi.org/10.1039/D1EE01463C.

[6] Yoo, J.J., Seo, G., Chua, M.R. et al. Efficient perovskite solar cells via improved carrier management. Nature 590, 587–593 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03285-w.