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自動(dòng)設(shè)備加速平臺(tái)精準(zhǔn)操控工藝參數(shù),常溫常壓下實(shí)現(xiàn)超23%

發(fā)表時(shí)間:2024/7/12 16:01:04

太陽(yáng)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(yáng)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(lái),鈣鈦礦太陽(yáng)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(wèn)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(wèn)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(yáng)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(wú)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(yáng)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(yáng)能電池制備注入精準(zhǔn)高效的力量】

自動(dòng)設(shè)備加速平臺(tái) (DAP) 在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中的應(yīng)用帶來(lái)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(guò)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(yáng)能電池材料的開(kāi)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(yáng)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(guò)程的精準(zhǔn)操控, 從而避免人工操作帶來(lái)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(yáng)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(guò)快或過(guò)慢,都可能導(dǎo)致電池性能不理想。 通過(guò)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(yáng)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(wú)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(guò) 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(yáng)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(yáng)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(kāi)創(chuàng)新的太陽(yáng)能技術(shù): 前景無(wú)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(yáng)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(yáng)能電池技術(shù)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵作用。

Brabec 教授團(tuán)隊(duì), 通過(guò)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備過(guò)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)能電池的制備工藝, 并在常溫常壓條件下, 獲得了超過(guò) 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(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

重要技術(shù)參數(shù):

l   鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)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】

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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、12、4、610、15 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、200400 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(shuō)明研究人員如何微調(diào)制備過(guò)程以獲得最佳結(jié)果。


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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 ),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 ( 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。


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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、EQEPCE 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。


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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(shuō)明了受控滴速如何影響薄膜的光學(xué)特性。


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Fig.S21.
具有和沒(méi)有 PEAI 鈍化層的鈣鈦礦器件的 J-V 曲線。比較了具有和沒(méi)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。


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推薦設(shè)備

QE-R_光伏 / 太陽(yáng)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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