太陽能電池是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑， 但傳統(tǒng)的硅基太陽能電池在效率提升方面面臨挑戰(zhàn)，難以充分利用全部光譜。 近年來，鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、低成本和制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，備受關(guān)注。 但是， 鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性問題以及復(fù)雜的環(huán)境因素， 一直是阻礙其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

為了突破這些限制， 科研人員不斷探索新的方法， 以提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。 然而，傳統(tǒng)的制備方法通常依賴人工操作， 無法精確控制所有關(guān)鍵參數(shù)，導(dǎo)致重復(fù)性差、效率不穩(wěn)定。 近期，德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)材料科學(xué)系 Christoph J. Brabec 教授團(tuán)隊(duì)在Energy & Environmental Science 雜志發(fā)表了一篇突破性研究成果， 他們使用全新的 “自動(dòng)設(shè)備加速平臺(tái)” (DAP)， 精確地操控了鈣鈦礦太陽能電池制備的關(guān)鍵參數(shù)， 并在常溫常壓的環(huán)境下成功地將電池效率提升至23% 以上。

【自動(dòng)設(shè)備加速平臺(tái)： 為鈣鈦礦太陽能電池制備注入“精準(zhǔn)”與“高效”的力量】

自動(dòng)設(shè)備加速平臺(tái) (DAP) 在鈣鈦礦太陽能電池研究中的應(yīng)用帶來了多重優(yōu)勢(shì)：

l  提高效率: 自動(dòng)化設(shè)備能夠加快實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)收集的速度，使研究人員能夠在更短時(shí)間內(nèi)完成更多實(shí)驗(yàn)。

l  提高精度和一致性: 自動(dòng)化系統(tǒng)減少了人為操作誤差，保證了實(shí)驗(yàn)條件的一致性，從而提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。

l  節(jié)約成本: 通過自動(dòng)化設(shè)備，可以減少人力成本和材料浪費(fèi)，從而降低研究費(fèi)用。

l  加速材料篩選和優(yōu)化: 自動(dòng)化平臺(tái)能夠快速篩選和優(yōu)化鈣鈦礦材料的組合，從而加速新型高效太陽能電池材料的開發(fā)。

l  數(shù)據(jù)處理和分析: 自動(dòng)化設(shè)備可以集成高級(jí)的數(shù)據(jù)處理和分析工具，實(shí)時(shí)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提供有價(jià)值的反饋，幫助研究人員迅速調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

l  推動(dòng)創(chuàng)新: 自動(dòng)化平臺(tái)可以進(jìn)行大規(guī)模高通量實(shí)驗(yàn)，為鈣鈦礦太陽能電池的創(chuàng)新和新技術(shù)的突破提供了可能性。

【突破傳統(tǒng)效率， 在常溫常壓下取得突破性成果】

該團(tuán)隊(duì)的核心突破在于使用了全新的自動(dòng)設(shè)備加速平臺(tái)（DAP）。 該平臺(tái)可以同時(shí)控制多種工藝參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦薄膜制備過程的精準(zhǔn)操控， 從而避免人工操作帶來的誤差， 保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。 他們使用 DAP 系統(tǒng)對(duì)制備鈣鈦礦太陽能電池的十余個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 重點(diǎn)分析了有機(jī)銨鹵化物滴加速度對(duì)鈣鈦礦薄膜和電池性能的影響。

該研究表明，有機(jī)銨鹵化物的滴加速度對(duì)鈣鈦礦薄膜的 PbI2 殘留量以及器件的最終效率都具有顯著的影響。 滴加速度過快或過慢，都可能導(dǎo)致電池性能不理想。 通過研究團(tuán)隊(duì)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的精細(xì)調(diào)整， 最終發(fā)現(xiàn)最佳的滴加速度（例如50 µL s?1）可以有效地提升電池性能。

利用 DAP 平臺(tái)， 結(jié)合科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)， 最終成功優(yōu)化了鈣鈦礦太陽能電池在常溫常壓條件下的制備工藝。 這一突破使得他們能夠建立一套無添加劑的標(biāo)準(zhǔn)操作程序 (SOP)， 能夠在環(huán)境溫度下穩(wěn)定制備高效率 (超過 23%)、 高可重復(fù)性且具有光熱穩(wěn)定鈣鈦礦電池。

為了對(duì)鈣鈦礦太陽能電池的量子效率進(jìn)行精確的測(cè)量， 該團(tuán)隊(duì)還使用了光焱科技的 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學(xué)儀。 QE-R 設(shè)備能夠在不同的波長(zhǎng)下測(cè)量電池的外量子效率（EQE）， 精確地分析鈣鈦礦材料的光電轉(zhuǎn)換特性。

【開創(chuàng)新的太陽能技術(shù)： 前景無限】

該團(tuán)隊(duì)的研究成果強(qiáng)調(diào)了深入理解工藝參數(shù)之間的因果關(guān)系對(duì)提升鈣鈦礦太陽能電池性能的重要性。 此外，他們的研究突顯了自動(dòng)化平臺(tái)在探索創(chuàng)新制備流程和加速高性能鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)開發(fā)中的關(guān)鍵作用。

Brabec 教授團(tuán)隊(duì)， 通過對(duì)鈣鈦礦太陽能電池制備過程的精準(zhǔn)操控， 實(shí)現(xiàn)了突破性的效率提升， 為鈣鈦礦太陽能技術(shù)的發(fā)展指明了新的方向。 這將促進(jìn)更穩(wěn)定的高效太陽能電池走向市場(chǎng)化， 幫助實(shí)現(xiàn)清潔能源的廣泛應(yīng)用， 為人類的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

該團(tuán)隊(duì)通過利用自動(dòng)設(shè)備加速平臺(tái)（DAP）系統(tǒng)， 精確操控鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝， 并在常溫常壓條件下， 獲得了超過 23% 的電池效率， 實(shí)現(xiàn)了突破性的進(jìn)步。 DAP 能夠有效地提升科研效率， 幫助科學(xué)家更快速地探索新材料和工藝， 并加快鈣鈦礦太陽能電池的開發(fā)和應(yīng)用。

重要技術(shù)參數(shù)：

l   鈣鈦礦太陽能電池效率: > 23%

l   關(guān)鍵技術(shù): 自動(dòng)設(shè)備加速平臺(tái) (DAP)

l   關(guān)鍵設(shè)備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學(xué)儀

埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)_ Christoph J. Brabec教授

Christoph J. Brabec 教授是埃爾朗根-紐倫堡大學(xué) i-MEET (Materials for Electronics and Energy Technology) 研究所所長(zhǎng)。 他是世界上著名的材料科學(xué)家和納米技術(shù)專家， 專注于有機(jī)光電材料、太陽能電池、傳感器以及生物電子學(xué)領(lǐng)域的研究。發(fā)表了500多篇科研論文， 被引用次數(shù)超過70000次， 榮獲多個(gè)重要獎(jiǎng)項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)

Precise control of process parameters for >23% efficiency perovskite solar cells in ambient air using an automated device acceleration platform _ Energy & Environmental Science2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01432D

【本研究參數(shù)圖】

Fig 1.  自動(dòng)制備流程和鈣鈦礦器件的統(tǒng)計(jì)性能示意圖。 (A) 采用兩步式循序沉積法自動(dòng)制備鈣鈦礦薄膜的示意圖。 (B) PSCs 的結(jié)構(gòu) (ITO/SnO2/鈣鈦礦/Spiro-OMeTAD/Au)。 (C) 使用不同滴管高度（滴入 FAI/MACl 溶液時(shí)）制備的鈣鈦礦器件的性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)匯總。 滴管高度分別為 0.5、1、2、4、6、10、15 和 30 mm。 (D) 鈣鈦礦器件的統(tǒng)計(jì)性能與鹵化銨滴速的函數(shù)關(guān)系。 滴速分別為 5、10、20、50、100、200、400 和 500 µL s?1。顯示器件結(jié)構(gòu)、受控的制程參數(shù)以及所得到的器件性能變化，這些變化是參數(shù)的函數(shù)。 此圖有助于說明研究人員如何微調(diào)制備過程以獲得最佳結(jié)果。

Fig 2.  鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)表征和分析。 (A) 俯視 SEM 圖像（比例尺為 1 µm），(B) XRD 圖樣以及聚焦在 12.7° 附近的放大圖 (對(duì)應(yīng)于 PbI2 相)，以及 (C) 使用不同有機(jī)鹵化銨溶液滴速制備的鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦相峰 (在 14°) 的衍射強(qiáng)度。 (D) 不同滴速對(duì)鈣鈦礦薄膜的形貌和結(jié)晶的影響示意圖。所制備的鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)分析，重點(diǎn)關(guān)注其形貌、晶體結(jié)構(gòu)以及這些方面如何受到不同滴速的影響。

Fig 4. 優(yōu)化器件的表征。 (A) 器件的 J-V 曲線。 插入文字提供了性能信息。 旋轉(zhuǎn)速度組合為 1300 rpm × 1750 rpm，滴速為 50 µL s?1。 (B) 優(yōu)化器件的 EQE 光譜和積分 Jsc。 (C) 使用優(yōu)化參數(shù)制備的器件的 J-V 曲線和 PCE 分布直方圖 (28 個(gè)電池)。 (D) 未封裝器件在模擬 AM 1.5G 照明下，在周圍空氣中進(jìn)行約 300 秒的 MPP 跟蹤，并連續(xù)通入氮?dú)狻?/span> 數(shù)據(jù)是在 Jmpp 下收集的，并使用 0.908 V 的恒定電壓 (Vmpp)。 (E) 長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試的結(jié)果。 樣品在充氮腔室內(nèi)，在 60–65 °C 下進(jìn)行測(cè)試，并使用連續(xù)的金屬鹵化物燈照明 (83 mW cm?2)，方向相反。描繪了優(yōu)化器件的性能特性。 這包括 J-V 曲線、EQE、PCE 分布和穩(wěn)定性測(cè)試。 此圖顯示了優(yōu)化制程在創(chuàng)造高性能器件方面的成功。

Fig S16. 使用不同滴速制備的薄膜的 PL 光譜。 滴速分別為 5 到 500 µL/s。 在每部電影上都測(cè)量了具有規(guī)律圖案的 13 個(gè)點(diǎn)。不同滴速對(duì)鈣鈦礦薄膜的影響，可能說明了受控滴速如何影響薄膜的光學(xué)特性。

Fig.S21. 具有和沒有 PEAI 鈍化層的鈣鈦礦器件的 J-V 曲線。比較了具有和沒有鈍化層的器件的性能，展示了鈍化策略在提高器件性能方面的有效性。

推薦設(shè)備

QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測(cè)量解決方案

具有以下特色優(yōu)勢(shì)：

l   高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準(zhǔn)光源，確保 EQE 測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

l   寬光譜范圍:QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測(cè)量。

l   快速測(cè)量:QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進(jìn)行 EQE 光譜測(cè)量。

l   易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，即使是初學(xué)者也能輕松上手。

l   多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行 EQE 測(cè)量，還可以進(jìn)行反射率、透射率等光學(xué)特性的測(cè)量，具有多功能性。

文獻(xiàn)參考自 Energy & Environmental Science2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01432D

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