研究背景
鈣鈦礦太陽能電池因其高效率和低成本的潛力，成為了光伏領域的研究熱點。然而，盡管鈣鈦礦材料具有優異的光電性能，窄帶隙錫鉛鈣鈦礦在薄膜器件中的應用仍面臨著一系列挑戰，主要包括Sn(II)易氧化為Sn(IV)以及晶化過程難以控制。這些問題限制了鈣鈦礦太陽能電池的性能提升和穩定性，尤其是在多結串聯光伏器件中的應用。因此，如何提高鈣鈦礦薄膜的質量、均勻性和光電性能成為了當前亟待解決的關鍵問題。為了解決這些挑戰，牛津大學Henry J. Snaith教授、Shuaifeng Hu（華中科技大學校友一作兼通訊）以及京都大學Atsushi Wakamiya攜手在“Nature”期刊上發表了題為“Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics”的最新論文。科學家們針對錫鉛鈣鈦礦前驅體溶液的化學性質進行了深入研究。研究發現，Sn(II)物種在與前驅體和添加劑的相互作用中起主導作用，羧酸對溶液膠體性質和薄膜結晶有獨特調節作用，而銨鹽則在提高薄膜的光電性能方面發揮了重要作用。通過將這兩種功能基團結合，氨基酸鹽材料顯著改善了鈣鈦礦薄膜的半導體質量和均勻性，超越了單獨使用這些功能基團時的效果。這一發現為進一步提升錫鉛鈣鈦礦太陽能電池的效率提供了新的思路。基于這些研究，科學家成功地制造出了單結、雙結和三結鈣鈦礦太陽能電池，分別實現了23.9%、29.7%和28.7%的PCE（最高認證效率為29.26%）。此外，封裝后的三結電池在工作環境下的長期穩定性良好，具有80%的初始效率。該研究為多結光伏器件的進一步發展設立了新的技術基準。 值得一提的是，這是Henry J. Snaith教授2024年發表的第四篇Nature/Science！
研究亮點
（1）實驗首次揭示了錫鉛鈣鈦礦前驅體溶液中Sn(II)物種的主導作用，揭示了羧酸和銨鹽在溶液膠體性質調控和薄膜光電性能提高中的獨特作用。通過對不同功能基團（氨基酸鹽）的選擇，實驗首次結合了這兩種基團的效應，顯著提升了鈣鈦礦薄膜的半導體質量和均勻性，超過了單獨使用功能基團的效果。（2）實驗通過優化鈣鈦礦薄膜的化學組成和晶體生長過程，成功實現了高效能的多結太陽能電池。單結、雙結和三結鈣鈦礦太陽能電池的PCE分別為23.9%、29.7%（認證值29.26%）和28.7%，而1cm2的三結器件在最大功率點跟蹤下的PCE為28.4%（認證值27.28%）。進一步，封裝后的三結電池在860小時的最大功率點跟蹤測試中保持了80%的初始效率。此外，四結器件也表現出了27.9%的PCE和開路電壓4.94V，展示了這一技術的潛力。 （3）實驗表明，通過合理設計溶液化學，可以有效改善錫鉛鈣鈦礦材料的光電性能，尤其是通過合成氨基酸鹽等功能材料，增強了薄膜的均勻性和光電特性，為鈣鈦礦太陽能電池的進一步提升提供了新的思路和路徑。
圖文解讀
圖2：Sn–Pb鈣鈦礦薄膜的形貌、晶體結構和電子特性
總結展望
本文通過深入研究錫鉛鈣鈦礦前驅體溶液的化學性質，揭示了氨基酸鹽在調節溶液膠體性質、薄膜結晶以及光電性能方面的獨特作用。研究發現，氨基酸鹽能夠顯著改善鈣鈦礦薄膜的均勻性和半導體質量，超越了傳統單一功能基團的效果。這一發現為進一步提升鈣鈦礦光伏器件的效率提供了新的思路，尤其是在多結光伏器件中，鈣鈦礦材料的優異帶隙可調性使其具備了廣闊的應用前景。此外，通過改進錫鉛鈣鈦礦材料的氧化抑制和晶化過程，本研究突破了鈣鈦礦多結電池在實際應用中的瓶頸，成功制造出具有高效率和長時間穩定性的太陽能電池。這些成果不僅推動了鈣鈦礦光伏技術的進步，也為實現更高效、低成本的太陽能發電系統奠定了基礎。科學家們可以通過進一步優化前驅體溶液配方和工藝控制，進一步提升鈣鈦礦光伏材料的性能，推動這一技術在實際應用中的廣泛推廣。Hu, S., Wang, J., Zhao, P. et al. Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08546-y
