助力鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)新發(fā)展
—卓立漢光太陽能電池測試系統(tǒng)解決方案
鈣鈦礦太陽能電池簡介
太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。簡單的說，太陽光電的發(fā)電原理，是利用太陽電池吸收400nm～1100nm波長(針對硅晶)的太陽光，將光能直接轉(zhuǎn)變成電能輸出的一種發(fā)電方式。
太陽能技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代太陽能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽能電池，其在實(shí)驗(yàn)室的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.4%；第二代太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池。第三代太陽能電池主要指具有高轉(zhuǎn)換效率的一些新概念電池, 如染料敏化電池、量子點(diǎn)電池以及有機(jī)太陽能電池等。
鈣鈦礦型太陽能電池（perovskite solar cells），是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代太陽能電池，也稱作新概念太陽能電池，是《科學(xué)》雜志評選的2013年度十大科技突破之一，是一種有望進(jìn)一步降低光伏發(fā)電價(jià)格的新型光伏體系。目前鈣鈦礦太陽電池發(fā)展現(xiàn)狀良好，但仍有若干關(guān)鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展，其中最關(guān)鍵問題之一是電池的穩(wěn)定性問題。
鈣鈦礦電池技術(shù)新發(fā)展—新型鈍化技術(shù)
近年來，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的能量轉(zhuǎn)化效率顯著提高，從2009年的3.8%提升至2018年的23.7%，這得益于鈣鈦礦電池吸光系數(shù)高、載流子遷移率高、載流子壽命長等令人著迷的光學(xué)和電子特性。不僅如此，制作工藝簡單、材料成本低廉，也使它成為目前最有應(yīng)用前景的新型太陽能電池器件之一。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)無機(jī)-有機(jī)混合型鈣鈦礦甲胺鉛碘（MAPbI3）材料對于水、氧非常敏感。除此之外，鈣鈦礦太陽能薄膜電池各功能層之間存在界面缺陷，這些缺陷會引起鈣鈦礦分解，降低器件的穩(wěn)定性，加速器件老化。因此，如何減少或鈍化器件中的缺陷對于制備高性能、高穩(wěn)定性電池至關(guān)重要。
根據(jù)不同的鈍化位置和鈍化目的，對鈣鈦礦太陽能電池的鈍化技術(shù)可以分為以下幾類：
1、電子傳輸層與鈣鈦礦層。大多數(shù)高性能的鈣鈦礦太陽能電池采用TiO2作為電子傳輸層，但TiO2是很好的光催化劑，會加速器件性能衰減。可以通過物理隔離電子傳輸層和鈣鈦礦層，提高器件的穩(wěn)定性。同時(shí)，TiO2與鈣鈦礦層的缺陷可能導(dǎo)致器件的光伏回滯特性，采用I主族金屬元素、氯化物、聚合物摻雜等方法可以減少激子復(fù)合和回滯。
2、鈣鈦礦層和空穴傳輸層。鈣鈦礦層和空穴傳輸層之間由于懸空鍵的存在，鈣鈦礦表面存在大量缺陷，激子復(fù)合率高。通過在兩層間加入一超薄的PMMA層或Al2O3層，可以有效鈍化界面，阻擋激子復(fù)合并提升器件性能。
3、鈣鈦礦層本身。在鈣鈦礦層中加入含陽離子的憎水大分子，保護(hù)鈣鈦礦層，避免水汽侵入，從而提升鈣鈦礦太陽能電池的濕穩(wěn)定性。
非鈍化、單面鈍化與雙面鈍化對比圖
北京大學(xué)物理學(xué)院的趙清教授課題組在之前發(fā)展的籽晶誘導(dǎo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)的界面優(yōu)化，通過分別控制有機(jī)胺鹽(NH2CHNH2I/CH3NH3Br)在碘化鉛（PbI2）上的反應(yīng)深度，鈣鈦礦的分解程度，以及鈣鈦礦表面的溶劑處理，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的頂部、底部以及晶界處PbI2的形成這一系列的鈍化。得到穩(wěn)態(tài)輸出效率超過了22%，穩(wěn)態(tài)開路電壓1.15V（相對于帶隙寬度損耗僅為0.38V）的鈣鈦礦電池，基本為1.53eV帶隙鈣鈦礦電池的最低開路電壓損失。通過時(shí)間分辨的熒光檢測以及詳細(xì)的阻抗譜分析，證實(shí)PbI2和鈣鈦礦的界面是一個(gè)缺陷非常少的界面，幾乎可以和Si/SiO2界面相媲美。
中科院化學(xué)研究所胡勁松研究員課題組與于貴研究員課題組及天津大學(xué)化工學(xué)院馮亞青教授課題組合作發(fā)表了題目為“High-Mobility Hydrophobic Conjugated Polymer as Effective Interlayer for Air-Stable Efficient Perovskite Solar Cells”的文章。本文介紹了一種通過引入高遷移率疏水共軛高分子界面層來解決空穴傳輸層添加劑導(dǎo)致器件不穩(wěn)定問題并同時(shí)改善器件轉(zhuǎn)換效率的方法。研究人員在鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦層與傳統(tǒng)空穴傳輸層（Spiro-OMeTAD）間引入一種具有高遷移率的疏水共軛高分子（PD-10-DTTE-7）界面層，顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的空氣穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率（相關(guān)工作在線發(fā)表在Solar RRL（DOI: 10.1002/solr.201800232）上）
石墨炔是一種sp和sp2雜化的π共軛體系的二維材料，n型半導(dǎo)體特性，且擁有適當(dāng)?shù)膸?、高電子態(tài)密度及良好的疏水性。中科院物理研究所孟慶波課題組與化學(xué)研究所李玉良課題組在這一領(lǐng)域開展深入合作，將石墨炔引入到了FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3鈣鈦礦膜中，構(gòu)建了石墨炔/鈣鈦礦體相異質(zhì)結(jié)薄膜。在此基礎(chǔ)上，制備了高效、水穩(wěn)定性優(yōu)異的鈣鈦礦太陽能電池。實(shí)驗(yàn)表明，鈣鈦礦/石墨炔體相異質(zhì)結(jié)促進(jìn)了激子分離并提高光生電子的抽取能力，提升了電子傳輸能力，電池的短路電流升高。另外，石墨炔的引入鈍化了晶界和界面缺陷，有效地抑制了光生載流子的復(fù)合，獲得了相對較高的填充因子，以及20.54%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，基于石墨炔/鈣鈦礦體相異質(zhì)結(jié)的鈣鈦礦薄膜的抗?jié)裥缘玫矫黠@提升。（相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201802012）上。）
卓立漢光為鈣鈦礦電池測試提供特殊定制樣品臺
鈣鈦礦太陽能電池除兩端電極外，功能層分為空穴傳輸層（NiOx）、鈣鈦礦層（CH3NH3PbI3）以及電子傳輸層（ZnO）。太陽光從ITO玻璃面入射，電極在入射光背面，稱為背電極結(jié)構(gòu)。陰極為Al、陽極為ITO。
卓立漢光針對這種背電極結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池提供定制樣品探針臺，QE-F6-D。由于不同客戶制作的電池尺寸和電極位置不同，因此卓立漢光針對每個(gè)客戶的電池尺寸及電極位置量身定做樣品臺，達(dá)到電極接觸良好、不遮光、不易損壞ITO膜及同一樣品上不同電池塊輸出的快速切換。
QE-F6-D使用簡單，只需三步就可以完成樣品安裝：
1、解鎖打開上蓋；
2、ITO面朝上放入樣品臺；
3、扣上蓋鎖好，旋轉(zhuǎn)旋鈕選擇不同電池片的電流輸出；
鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu) QE-F6-D 樣品探針臺
卓立漢光提供全套鈣鈦礦電池測試系統(tǒng)
1、IV系統(tǒng)
功能：測量太陽能電池短路電流、短路電流密度、開路電壓、最大功率、最大功率電流、最大功率電壓、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率、正反向調(diào)速掃描與暗電流扣除功能。
特點(diǎn)：AAA級太陽光模擬器，長時(shí)間穩(wěn)定性好（不穩(wěn)定度＜0.8%）可用于長時(shí)間穩(wěn)定性測試，模擬器光出口四個(gè)方向可調(diào)滿足客戶樣品在手套箱里面的測試需求，出光口遙控光闌片方便遮光更換樣品。
系統(tǒng)組成：太陽光模擬器、標(biāo)準(zhǔn)單晶硅太陽電池（中國計(jì)量研究院標(biāo)定）、吉時(shí)利2400源表、樣品探針臺、IV軟件。
圖引自Constructing CsPbBr3 Cluster Passivated-Triple Cation Perovskite for Highly Efficient and Operationally Stable Solar Cells.
2、QE系統(tǒng)
功能：光譜響應(yīng)度、外量子效率、內(nèi)量子效率、反射率、透射率、積分短路電流密度、光束誘導(dǎo)電流。
特點(diǎn)：測量結(jié)果重復(fù)性高測量結(jié)果準(zhǔn)確可重復(fù)，自動化測試流程高簡化測試員工作、測試出錯(cuò)率低，系統(tǒng)最小光斑直徑小于1mm滿足小面積電池的測試需求，高穩(wěn)定性高強(qiáng)度光源不同重復(fù)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)探測器，節(jié)省測試時(shí)間，高強(qiáng)度光源充分激發(fā)電池效率，測試結(jié)果更準(zhǔn)確，全反射光路無色差測試結(jié)果無偏差。
圖引自Efficient Perovskite Solar Cells Fabricated Through CsCl-Enhanced PbI2 Precursor via Sequential Deposition.
