钙钛矿太阳能电池是一种新型的光伏技术,其光电转换效率已经达到了传统硅基光伏电池的水平,同时具有更低的生产成本和更高的可扩展性。其核心材料是钙钛矿型的有机-无机金属卤化物,这种材料具有优异的光电性能和稳定性,是电池高效运作的关键。钙钛矿光伏电池的研究已经成为全球光伏领域的研究热点之一, 未来有望在传统光伏市场中发挥重要作用。

       麦克林提供各类钙钛矿试剂及其衍生产品，具有纯度等级高、生产工艺先进、支持研发定制等特点，能被广泛适用于各类科研项目、研究实验中，欢迎选购。

       本文通过以下几点介绍麦克林钙钛矿试剂的产品特性及相关应用：

        1.钙钛矿材料的定义

        2.钙钛矿太阳能电池的发展历

        3.钙钛矿太阳能电池的结构和工作原理

        4.麦克林钙钛矿太阳能电池相关产品介绍

钙钛矿材料的定义

       钙钛矿结构是一种具有ABX3晶型的奇特结构，呈现出丰富多彩的物理性质包括绝缘体、铁电、反铁磁、巨磁/庞磁效应，著名的是具有超导电性。这种ABX3型钙钛矿结构以金属原子为八面体核心、卤素原子为八面体顶角、有机甲氨基团位于面心立方晶格顶角位置，这种有机卤化物钙钛矿结构的特点是：
       （1）卤素八面体共顶点连接，组成三维网络，根据Pauling的配位多面体连接规则，此种结构比共棱、共面连接稳定。
       （2）共顶连接使八面体网络之间的空隙比共棱、共面连接时要大，允许较大尺寸离子填入，即使产生大量晶体缺陷，或者各组成离子的尺寸与几何学要求有较大出入时，仍然能够保持结构稳定；并有利于缺陷的扩散迁移。

       钙钛矿太阳能电池的优点：
       （1）合适的直接带隙：一般的带隙约为1.5 eV，通过卤族元素的替代可以调节禁带宽度。
       （2）高的吸收系数：厚度为300 nm左右的钙钛矿材料便能吸收紫外到近红外几乎所有的光子。
       （3）优异的载流子运输性能：优良的双极输运特性，CH3NH3PbI3中，电子和空穴的迁移率达到10cm2/(V·s)

钙钛矿太阳能电池的发展历程

       2009年，Tsutomu Miyasaka等首次提出将CH3NH3PbI3 和CH3NH3PbBr3 (钙钛矿材料)制备成量子点(9-10 nm) 应用到太阳能电池中( 染料敏化太阳能电池，简称DSSC)。 研究在可见光范围内，该类材料敏化TiO2的太阳能电池性能。最后，获得了3.8%的光电效率^[1]。
       2011年， Nam-Gyu Park将实验方案进行了改进与优化，制备的CH3NH3PbI3量子点达到2~3 nm，电池效率增加了一倍达到6. 54%。但是由于部分金属卤化物在液态电解质中发生溶解，很大程度上降低了电池的稳定性与使用寿命^[2]。为了解决这一问题，2012年Michael Grätzel 和 Nam-Gyu Park 将Spiro-OMeTAD作为有机空穴传输材料应用到钙钛矿电池中，钙钛矿电池稳定性和工艺重复性大大提高^[3]。2012年至2014年间，钙钛矿太阳能电池迎来了光电转换效率的第一个快速上升期，从10%左右提升至15. 4%^[4,5]。

       Henry J. Snaith用气相蒸发法制备了钙钛矿平面异质结电池，摆脱了复杂的纳米结构，得到了效率高达15.4%的器件^[5]。

       2014年之后，为克服CH3NH3PbI3本征的不稳定性及对光的有限吸收，研究者们广泛开展了钙钛矿材料的组分工程研究。韩国化学技术研究所的Seok等使用γ-丁内酯和二甲亚砜(DMSO)作为钙钛矿前驱体的混合溶剂，制备双阴离子型CH3NH3Pb(I1-x Br)3(x=0.1-0.15)材料，最终的器件具有16.2%的认证效率并且无迟滞现象^[6]。之后，Eperon等通过改变有机阳离子成分，制备出HC(NH2)2PbI3(FAPbI3)，但纯相的FAPbI3，结构不稳定，仅获得了14.2%的效率^[7]。在此基础上，2015年间，Seok小组引人少量MA+阳离子和Br阴离子等，以稳定FAPbI3的α相,将效率进一步提高到18%以上^[8]。

       2016年初，Grätzel小组将无机铯离子(Cs+ )添加进甲脒和甲基铵混合的钙钛矿之中,所制备的三阳离子钙钛矿热稳定性更高、相杂质更少、对加工条件的敏感性更低，最终相应的器件获得了21.1%的光电转换效率^[9]。同年，他们将离子半径略小于Cs+且稳定的阳离子铷(Rb+)嵌人到钙钛矿相中,同时保留FA作为多数阳离子，开发了4种组合RbFA、RbCsFA、RbMAFA和RbCsMAFA，制备出了具有优异性能的钙钛矿材料,器件实现了高达21.6%的稳定效率^[10]。随着器件效率的稳步攀升,科学家们将更多注意力放在了器件中各功能层间的界面接触和缺陷钝化上。2018年,中国科学院半导体研究所的游经碧小组在FA-MA混合钙钛矿薄膜上使用有机卤化盐苯乙基碘化铵(PEAI)进行表面缺陷钝化,将钙钛矿太阳能电池的认证效率提高至23.3%^[11]。

       目前，单结钙钛矿太阳能电池的最高认证效率已经达到了26.1%，由中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所、中国科学院光伏与节能材料重点实验室潘旭研究员和田兴友研究员团队与韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授、华北电力大学戴松元教授合作,成功在反式钙钛矿太阳电池研究方面取得新突破。研究团队可视化了垂直方向上钙钛矿薄膜中的空间不均匀相分布，并提出了设备性能受外平面组分不均匀性限制的观点。此外，团队还发现A位组分之间不平衡的结晶和相变过程对FA-Cs相分离有重要影响。为解决这一问题，他们设计了一种策略，利用1-(苯磺酰基)吡咯（PSP）作为添加剂，延缓了FA-Cs钙钛矿的阳离子分离行为。经过PSP处理的p-i-n结构的器件实现了26.1%的最高效率（认证反向效率为25.8%和认证稳态效率为25.2%）。标志着中国科研团队在单结钙钛矿太阳能电池研究领域继续保持领先优势^[12]。

钙钛矿太阳能电池的结构和工作原理

       介孔和平面结构是PSCs中两种主要的器件结构。按照电荷传输层的沉积顺序，其可进一-步分为正置结构(n-i-p) 和倒置结构(p-i-n)。

       钙钛矿层通过吸收太阳光来产生可以自由移动的电子和空穴，通过自身的传输到达与电荷传输层相连的界面，从而被电荷传输层提取和运输到电极。但实际上，电荷在到达电极之前会经历严重的不同种类的非辐射复合损失，从而成为开路电压损耗的主要成因^[13,14]。

麦克林钙钛矿太阳能电池相关产品介绍

       麦克林提供纯度高、含水量低的钙钛矿材料、电子传输层材料、空穴传输层材料、二氧化锡浆料及其他通用试剂，助力钙钛矿太阳能电池发展。

       麦克林钙钛矿太阳能电池相关产品优势：

       1.结构新颖、品种繁多

       2.纯度等级高

       3.生产工艺先进

       4.接受研发定制

有机-无机钙钛矿前体

钙钛矿材料及钙钛矿量子点

电子传输材料

空穴传输材料

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参考文献
[1] Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai, Tsutomu Miyasaka. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17, 6050–6051. https://doi.org/10.1021/ja809598r
[2] Jeong-Hyeok Im, Chang-Ryul Lee, Jin-Wook Lee, Sang-Won Park and Nam-Gyu Park. 6.5% efficient perovskite quantum-dot-sensitized solar cell. Nanoscale, 2011, 3, 4088–4093. https://doi.org/10.1039/C1NR10867K
[3] Kim, HS., Lee, CR., Im, JH. et al. Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%. Sci Rep 2, 591 (2012). https://doi.org/10.1038/srep00591
[4] Burschka, J., Pellet, N., Moon, SJ. et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature 499, 316–319 (2013). https://doi.org/10.1038/nature12340
[5] Liu, M., Johnston, M. & Snaith, H. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature 501, 395–398 (2013). https://doi.org/10.1038/nature12509
[6] Jeon, N., Noh, J., Kim, Y. et al. Solvent engineering for high-performance inorganic–organic hybrid perovskite solar cells. Nature Mater 13, 897–903 (2014). https://doi.org/10.1038/nmat4014
[7] Giles E. Eperon, Samuel D. Stranks, Christopher Menelaou, Michael B. Johnston, Laura M. Herz and Henry J. Snaith. Formamidinium lead trihalide: a broadly tunable perovskite for efficient planar heterojunction solar cell. Energy Environ. Sci., 2014,7, 982-988. https://doi.org/10.1039/C3EE43822H
[8] Jeon, N., Noh, J., Yang, W. et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature 517, 476–480 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14133
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[10] Michael Saliba, Taisuke Matsui, Konrad Domanski, Ji-Youn Seo, Amita Ummadisingu, Shaik
M. Zakeeruddin, Juan-Pablo Correa-Baena, Wolfgang R. Tress, Antonio Abate, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel. Incorporation of rubidium cations into perovskite solar cells improves photovoltaic performance. Science, 29 Sep 2016, Vol 354, Issue 6309, pp. 206-209. DOI: 10.1126/science.aah5557
[11] Jiang, Q., Zhao, Y., Zhang, X. et al. Surface passivation of perovskite film for efficient solar cells. Nat. Photonics 13, 460–466 (2019). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0398-2
[12] Liang, Z., Zhang, Y., Xu, H. et al. Homogenizing out-of-plane cation composition in perovskite solar cells. Nature 624, 557–563 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06784-0
[13] Chunxiong Bao and Feng Gao. Physics of defects in metal halide perovskites. Reports on Progress in Physics, 2022, 85(9): 096501. DOI 10.1088/1361-6633/ac7c7a
[14] Chengxi Zhang, Yan-Na Lu, Wu-Qiang Wu and Lianzhou Wang. Recent progress of minimal voltage losses for high-performance perovskite photovoltaics. Nano Energy, Volume 81, March 2021, 105634. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105634