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您所在的位置：首頁(yè) > 行業(yè)動(dòng)態(tài) > 全球鈣鈦礦太陽(yáng)能電池2023年度研究進(jìn)展
研究背景
由于低成本和高效率的優(yōu)勢(shì)，鈣鈦礦（PVK）太陽(yáng)能電池（PSC）發(fā)展迅速，每年都有許多關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)被報(bào)道。對(duì)有關(guān)鍵進(jìn)展的研究論文進(jìn)行系統(tǒng)的年度綜述，對(duì)于研究人員了解PSC研究的最新進(jìn)展以及指導(dǎo)未來(lái)的相關(guān)研究至關(guān)重要。本綜述全面總結(jié)了2023年P(guān)SC的最新進(jìn)展，深入了解了PSC的當(dāng)前研究趨勢(shì)，并為該領(lǐng)域的未來(lái)研究進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，正式結(jié)構(gòu)，反式結(jié)構(gòu)，疊層，模組，穩(wěn)定性，鉛毒性與綠色溶劑
將2023年P(guān)SC年度研究進(jìn)展以正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、鈣鈦礦基疊層太陽(yáng)能電池（TSC）、鈣鈦礦太陽(yáng)能模組（PSM）、器件穩(wěn)定性、鉛毒性與綠色溶劑六個(gè)模塊進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì)本綜述中涉及的關(guān)鍵進(jìn)展的論文期刊和分類(lèi)數(shù)量進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)（圖1和2）。
圖1 本綜述中使用的PSC相關(guān)論文期刊統(tǒng)計(jì)圖
圖2 本綜述中使用的2023年發(fā)表的六大分類(lèi)相關(guān)論文統(tǒng)計(jì)圖
分類(lèi)詳細(xì)介紹了正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、TSC、PSM、器件穩(wěn)定性、鉛毒性與綠色溶劑六大分類(lèi)在2023年的研究進(jìn)展（圖3）。
圖3 本綜述中六大分類(lèi)的示意圖
對(duì)PSC未來(lái)的研究進(jìn)行了分類(lèi)的展望
內(nèi)容導(dǎo)讀
01
正式n-i-p鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
正式n-i-p鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率在過(guò)去一年中不斷提高。圖4顯示了2023年正式PSC的代表性進(jìn)展。這些研究主要集中在鈣鈦礦的晶體調(diào)控、電荷傳輸層的優(yōu)化和界面性質(zhì)的改善，從而進(jìn)一步提高PSC的認(rèn)證效率至25.8%，證明了n-i-p結(jié)構(gòu)的強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)力。本節(jié)從電子傳輸層和埋底界面、鈣鈦礦膜管理和表面改性的角度介紹了基于有機(jī)-無(wú)機(jī)、無(wú)機(jī)、和Sn基鈣鈦礦的正式n-i-p PSC的年度進(jìn)展。
圖4 2023年正式n-i-p PSC的代表性進(jìn)展
02
反式p-i-n鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
與正式PSC相比，反式p-i-n PSC（IPSCs）由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性、可忽略的滯后性和低溫制造的優(yōu)勢(shì)，使其更具商業(yè)化潛力。得益于研究人員的不懈努力，2023年IPSCs的最高認(rèn)證效率達(dá)到了25.8%（圖5），這與正式PSC基本相當(dāng)。在本節(jié)中，我們將分類(lèi)介紹2023年IPSC的年度進(jìn)展，包含有機(jī)-無(wú)機(jī)、無(wú)機(jī)、Sn基、2D、單晶等鈣鈦礦材料以及柔性器件。
圖5 2023年IPSC的代表性進(jìn)展
03
鈣鈦礦基疊層太陽(yáng)能電池
TSC包含一個(gè)以上具有不同帶隙的光吸收層。雙結(jié)TSC具有寬帶隙光吸收材料的頂部電池和窄帶隙光吸收材料的底部電池。頂部電池吸收短波長(zhǎng)光，而底部電池吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)光。這種配置減少了短波長(zhǎng)光的能量損失，同時(shí)保持了寬的光采集范圍，從而實(shí)現(xiàn)了更高的PCE。TSC有兩種類(lèi)型：兩端子（2T）和四端子（4T）（圖6(a)和(b)）。在本節(jié)中，討論了基于PVK的TSCs的主要進(jìn)展，包括PVK/硅、PVK/PVK、PVK/有機(jī)和PVK/CIGS TSCs。PVK易于調(diào)節(jié)的帶隙使其成為T(mén)SC的理想選擇。圖6(c)顯示了2023年基于PVK的TSC里程碑式效率的時(shí)間表。在新材料和制造方法進(jìn)步的推動(dòng)下，2023年，基于PVK的TSC的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）顯著提高。此外，總結(jié)了2023年不同類(lèi)型TSC的代表性高效率研究結(jié)果，包括器件結(jié)構(gòu)和光伏參數(shù)，如表1和表2所示。
圖6 (a) 兩端子和 (b) 四端子TSC的結(jié)構(gòu)示意圖；(c) 2023年基于PVK的TSC里程碑式效率的時(shí)間表
表1 2023年P(guān)VK基TSC的器件結(jié)構(gòu)和光伏性能總結(jié)
表2 2023年四端PVK基TSC的光伏性能總結(jié)
04
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模組
PSC的快速發(fā)展使其成為最有前景的新興光伏技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小面積PSC中，它們?cè)谛屎头�(wěn)定性方面取得了顯著進(jìn)展。然而，PSC必須升級(jí)到模塊規(guī)模，才能成功地向商業(yè)化過(guò)渡。在過(guò)去的研究中，研究人員已經(jīng)提出了幾種可擴(kuò)展的制造方法來(lái)制造PSM。在這一節(jié)，簡(jiǎn)要總結(jié)了PSM可擴(kuò)展制造在2023年的進(jìn)展，包含刮刀涂覆（圖7）、縫模涂布（圖8）、噴涂法（圖9(a-c)）、噴墨打印法（圖9(d-f)）、絲網(wǎng)印刷法（圖9(g-h)）和氣相沉積（圖10）。
圖7 2023年刮刀涂覆法制備PSM代表性研究
圖8 2023年縫模涂布法制備PSM代表性研究
圖9 2023年 (a-c) 噴涂法、(d-f) 噴墨打印法、(g-h) 絲網(wǎng)印刷法制備PSM代表性研究
圖10 2023年氣相沉積制備PSM代表性研究
05
器件穩(wěn)定性
由于其固有的化學(xué)性質(zhì)和器件結(jié)構(gòu)，PSC在濕度、溫度和光照等環(huán)境壓力下不穩(wěn)定。這些不穩(wěn)定性阻礙了鈣鈦礦光伏的商業(yè)化。與晶體硅光伏器件和電池板類(lèi)似，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池板在進(jìn)入能源市場(chǎng)之前必須滿(mǎn)足IEC61215:2016認(rèn)證測(cè)試的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，即在85℃和85%相對(duì)濕度下同時(shí)連續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)。為了加速PSC的商業(yè)化，已經(jīng)采用了多種方法來(lái)提高器件穩(wěn)定性：鈣鈦礦成分優(yōu)化、表面和界面鈍化、載流子傳輸材料的分子設(shè)計(jì)、電極修飾、合理封裝等方法。在本結(jié)中，介紹了2023年在濕度（圖11）、熱（圖12）和光照浸泡（圖13），和工作條件下（圖14）提高器件穩(wěn)定性的研究進(jìn)展。同時(shí)，考慮到未來(lái)在空間和柔性電子器件中的應(yīng)用，還簡(jiǎn)要描述器件對(duì)輻射和機(jī)械應(yīng)力的穩(wěn)定性。表3總結(jié)了2023年報(bào)道的穩(wěn)定性研究進(jìn)展，包含鈣鈦礦成分、器件結(jié)構(gòu)、效率、穩(wěn)定性測(cè)試條件、穩(wěn)定性數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性提升的策略。此外，還提出了統(tǒng)一穩(wěn)定性評(píng)估方法的期望（圖15）。
圖11 2023年P(guān)SC濕度穩(wěn)定性代表性研究
圖12 2023年P(guān)SC熱穩(wěn)定性代表性研究
圖13 2023年P(guān)SC光照穩(wěn)定性代表性研究
圖14 2023年P(guān)SC工作條件下穩(wěn)定性代表性研究
圖15 鈣鈦礦材料降解示意圖以及鈣鈦礦材料和器件性能的ISOS協(xié)議概述
表3 2023年器件穩(wěn)定性研究進(jìn)展表
06
鉛毒性和綠色溶劑
在過(guò)去十年中，PSC的PCE和穩(wěn)定性有了顯著提高。然而，最先進(jìn)的高效PSC是使用有毒材料制造的，如吸收劑中的鉛和前體中的有害溶劑。為了防止環(huán)境問(wèn)題并遵守環(huán)境法律法規(guī)，必須確保PSC在其整個(gè)生命周期中都是環(huán)保和無(wú)污染的。本節(jié)討論了2023年在降低鉛毒性（圖16）和使用綠色溶劑（圖17）生產(chǎn)PSC方面的主要進(jìn)展。
圖16 2023年P(guān)SC中降低鉛毒性方面代表性研究
圖17 2023年使用綠色溶劑生產(chǎn)PSC的代表性研究
總結(jié)與未來(lái)展望
在本綜述中，2023年P(guān)SC的關(guān)鍵進(jìn)展被全面總結(jié)為六類(lèi)：正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、TSC、PSM、器件穩(wěn)定性、鉛毒性與綠色溶劑。在這里，我們根據(jù)2023年的研究進(jìn)展對(duì)未來(lái)的研究進(jìn)行了分類(lèi)和展望。
（1）正式n-i-p PSC：首先，通過(guò)適當(dāng)?shù)木w生長(zhǎng)控制策略制備具有更寬吸收范圍的高質(zhì)量FAPbI3 鈣鈦礦。其次，基于材料的結(jié)構(gòu)特征，開(kāi)發(fā)更適合鈍化FAPbI3的新型鈍化劑。第三，鑒于spiro-OMeTAD的吸濕性和高成本，有必要開(kāi)發(fā)新型的空穴傳輸材料。
（2）反式p-i-n PSC：首先，與常規(guī)的n-i-p PSCs類(lèi)似，通過(guò)適當(dāng)?shù)木w生長(zhǎng)控制策略制備高質(zhì)量FAPbI3鈣鈦礦。其次，明年的另一個(gè)研究重點(diǎn)將是新型空穴傳輸材料的設(shè)計(jì)。例如，廣泛用于高效IPSCs的SAM分子的界面機(jī)制仍需進(jìn)一步研究，包括界面載流子動(dòng)力學(xué)、與鈣鈦礦的相互作用以及SAM堆疊模式。此外，新型表征技術(shù)的發(fā)展對(duì)研究埋底界面的性質(zhì)和進(jìn)一步設(shè)計(jì)新型SAM分子具有重要意義。第三，考慮到與常規(guī)n-i-p PSCs的不同性質(zhì)，開(kāi)發(fā)更適合IPSCs的鈣鈦礦表面鈍化劑對(duì)于進(jìn)一步提高器件效率至關(guān)重要。
（3）TSC：目前，PVK基的TSC的PCE仍遠(yuǎn)低于理論極限。開(kāi)發(fā)低損耗互連層并提高子電池的性能將進(jìn)一步提高基于PVK基的TSC的PCE。
（4）PSM：要實(shí)現(xiàn)PSM的商業(yè)化，必須解決幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括可擴(kuò)展制造技術(shù)的進(jìn)步、有助于在大面積上沉積高質(zhì)量薄膜的鈣鈦礦前體油墨的配方，以及環(huán)保且具有成本效益的制備方法。
（5）器件穩(wěn)定性：首先，應(yīng)設(shè)計(jì)本征穩(wěn)定的鈣鈦礦材料以滿(mǎn)足商業(yè)要求，例如在不失去最佳帶隙的情況下在FAPbI3中進(jìn)行陽(yáng)離子摻雜。其次，開(kāi)發(fā)可靠的封裝材料和技術(shù)對(duì)于保護(hù)PSC中敏感的鈣鈦礦和有機(jī)材料至關(guān)重要。第三，進(jìn)一步統(tǒng)一不同應(yīng)力條件下的穩(wěn)定性評(píng)估方法，如ISOS-S（暗儲(chǔ)存）、ISOS-L（光浸泡）、ISOS-O（室外）、ISOS-T（熱循環(huán)）、ISOS-LT（光濕熱循環(huán)），特別是室外條件，對(duì)于加快其商業(yè)化進(jìn)程至關(guān)重要。
（6）鉛毒性和綠色溶劑：未來(lái)的研究工作應(yīng)側(cè)重于研究具有高前體溶解度和優(yōu)異基底潤(rùn)濕性的先進(jìn)環(huán)保溶劑。此外，還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更全面的封裝方法，通過(guò)內(nèi)部和外部保護(hù)措施的結(jié)合，提高對(duì)水分、化學(xué)物質(zhì)和鉛的抵抗力，并增強(qiáng)解毒能力。
陳 煒
華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心教授，博士生導(dǎo)師。2017年入選國(guó)家第三批中組部萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖人才，2018年獲得國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助。2015年獲得國(guó)際上首個(gè)大面積（1 cm2）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池認(rèn)證效率記錄，寫(xiě)進(jìn)Martin Green編纂的權(quán)威效率記錄表。目前在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域已發(fā)表多篇重要論文，包括Science 2篇，Nature Energy 2篇，Science Advances 2篇，Nature Communications 2篇, Energy Environ. Sci. 2篇，Adv. Mater. 2篇，Adv. Energy Mater. 3篇，ACS Nano 1篇，Advanced Functional Materials 6篇等。陳煒教授截至目前的論文Google Scholar被引超過(guò)10000余次，H因子為55。
劉宗豪
華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心副教授，博士生導(dǎo)師。迄今，在國(guó)際專(zhuān)業(yè)類(lèi)著名期刊發(fā)表SCI論文80余篇，其中以第一作者/通訊作者身份發(fā)表論文50余篇，包括Nature Energy 2篇、Science Advances 1篇, Nature Communications 2篇，Advanced Materials 2篇，Energy Environ. Sci. 3篇，Advanced Energy Materials 5篇，Advanced Functional Materials 7篇，ACS Nano 1篇，Nano Letters 1篇，Nano Energy 3篇等。目前，Google Scholar 引用7000余次，H指數(shù)41。
魯建峰
武漢理工大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師。華中科技大學(xué)學(xué)士、博士，澳大利亞莫納什大學(xué)博士后。長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體材料合成及其器件方面的研究，包括太陽(yáng)能電池材料合成、半導(dǎo)體薄膜真空沉積和印刷、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備等。在Nature, Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇。
臺(tái)啟東
武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院，研究員，博士生導(dǎo)師。其分別于2007、2012年在武漢大學(xué)獲得學(xué)士和博士學(xué)位。其長(zhǎng)期從事鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究，并圍繞鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用面臨的“高效、穩(wěn)定、無(wú)毒以及低成本制備”等關(guān)鍵議題開(kāi)展創(chuàng)新工作。累計(jì)發(fā)表SCI論文80余篇，其中第一/通訊作者論文近50篇，包括 Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.等多篇本領(lǐng)域權(quán)威期刊。論文總引用超過(guò)6200次，H-因子為36。超過(guò)20篇論文單篇引用>100次，其中4篇單篇引用>400次。代表性工作被本領(lǐng)域權(quán)威專(zhuān)家發(fā)表于Science、Nature Reviews Materials、Nature Photonics、Chemical Reviews等頂尖期刊的綜述多次正面評(píng)價(jià)。
張懿強(qiáng)
張懿強(qiáng)，鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，教授，博導(dǎo)。主要從事低維鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、性能表征以及大面積印刷制造光電器件。目前已發(fā)表SCI論文100余篇，其中以第一作者或通訊作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，近五年SCI引用3000余次。申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利8項(xiàng)，獲授權(quán)專(zhuān)利5項(xiàng)。主持國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研項(xiàng)目8項(xiàng)，企業(yè)橫向2項(xiàng)。兼任國(guó)際期刊Materials Futures和Journal of Energy Chemistry青年編委，獲國(guó)家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金（駐美使館）。
左傳天
國(guó)家納米科學(xué)中心副研究員。2018年在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心獲得博士學(xué)位，獲中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)獎(jiǎng)，博士畢業(yè)后進(jìn)入澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織從事博士后研究（澳大利亞ACAP項(xiàng)目資助），2020年8月加入國(guó)家納米科學(xué)中心擔(dān)任特別研究助理，2022年11月被聘為副研究員，主要研究方向是鈣鈦礦太陽(yáng)電池，在Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Sci. Bull.等期刊發(fā)表文章70余篇，總被引5000余次。承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目骨干）、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。獲北京市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。擔(dān)任Materials Futures、Journal of Energy Chemistry、Nano-Micro Letters、DeCarbon、Journal of Semiconductors、EcoEnergy等期刊青年編委。
趙鵬君
研究員，博士生導(dǎo)師。入選國(guó)家引進(jìn)海外高層次人才項(xiàng)目，2021年3月全職回國(guó)加入中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所。2015-2020年分別在韓國(guó)成均館大學(xué)和澳大利亞墨爾本大學(xué)Prof.Andrew Holmes（前澳大利亞科學(xué)院主席）Laboratory從事博士后研究。主要從事鈣鈦礦基光伏材料與器件、溫敏材料與器件研究。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院裝備研制項(xiàng)目（青年人才類(lèi)）、新疆重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、新疆自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、新疆天池英才領(lǐng)軍人才項(xiàng)目等，中國(guó)科學(xué)院西部交叉團(tuán)隊(duì)核心成員、新疆天山創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)骨干成員。研究成果已發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，申請(qǐng)、授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利10余項(xiàng)、申請(qǐng)美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)。
姜 巖
北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家海外優(yōu)青基金獲得者。主要從事新一代低成本高性能薄膜太陽(yáng)能電池的研發(fā)，致力于理解鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池光學(xué)、電學(xué)損失及失效機(jī)制，此外致力于解決鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池市場(chǎng)化過(guò)程中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。迄今在Nat. Energy, Nat. Commun., Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano, Nano Lett.等材料、能源領(lǐng)域國(guó)際知名雜志上已發(fā)表論文60余篇，其中8篇被ESI評(píng)選為高引用論文(前1%)，1篇被ESI評(píng)選為熱點(diǎn)論文(前0.1%), 引用超過(guò)5000次。研究成果被Nature Energy、Science Daily、Scienmag、Nanowerk、phys.org等學(xué)術(shù)或科技媒體作為亮點(diǎn)工作專(zhuān)題評(píng)述，申請(qǐng)中國(guó)專(zhuān)利2項(xiàng)。主持歐盟Horizon 2020重點(diǎn)項(xiàng)目子課題、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目子課題等，擔(dān)任工信部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省科技廳、瑞士戰(zhàn)略聚焦領(lǐng)域-先進(jìn)制造（SFA-AM）項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家，擔(dān)任Mater. Futures雜志青年編委。
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