Joule:基于氨基配体调控的取向结晶与载流子提取增强的倒置钙钛矿太阳能电池及组件研究

来源:先进光伏发布时间:2025-08-04 11:05:58

文章概述

本文针对无甲基铵(MA-free)CsxFA1-xPbI3钙钛矿太阳能电池中存在的结晶取向无序和埋底界面缺陷问题,创新性地设计了一种双功能氨基配体吗啉-4-甲脒盐酸盐(M4CH),通过同时调控钙钛矿结晶取向和界面能级排列,实现了高效稳定的倒置钙钛矿太阳能电池及组件。M4CH分子中的氨基基团与钙钛矿[PbI6]4-八面体形成强配位作用,诱导(001)晶面择优生长,使薄膜结晶度显著提升;同时分子在埋底界面富集形成正偶极层,优化了能级排列并增强了空穴提取能力。通过系统表征和理论计算证实,M4CH修饰使钙钛矿薄膜的缺陷密度降低40%,载流子寿命从1.73μs延长至4.02μs,开路电压提升至1.181V。最终制备的冠军单电池效率达24.52%,642cm²大面积组件效率达18.54%(认证18.48%)。

深度精度


Figure 1系统阐释了M4CH分子的作用机制与界面偶极层形成过程。图1A通过静电势(ESP)映射显示M4CH分子两端分别带有正电性的氨基和负电性的醚基,形成强偶极矩(6.994 Debye),其与钙钛矿的相互作用示意图揭示氨基与[PbI6]⁴⁻八面体形成N-H···I氢键,而醚基与Pb²⁺产生配位作用。图1B的飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)三维重构显示M4CH在薄膜中呈梯度分布,底部界面浓度最高,证实分子在结晶过程中的自富集行为。图1C-D的X射线光电子能谱(XPS)表明M4CH修饰使Pb 4f和I 3d结合能分别负移0.24eV和0.15eV,证实分子与钙钛矿的强化学相互作用。图1E的电荷密度差分(CDD)计算直观显示电子从钙钛矿表面向M4CH转移(黄色区域),形成0.19e的电荷重排,构建了有利于空穴提取的内建电场。图1F的缺陷形成能计算揭示M4CH使碘空位(V₁)和铅空位(Vpb)的形成能分别提升616%和124%,有效抑制本征缺陷。图1G的态密度(DOS)分析显示M4CH修饰消除了带隙中的缺陷态,费米能级向价带移动0.17eV,证实其p型掺杂效应。这些多尺度表征共同构建了从分子相互作用到宏观性能提升的完整机制链条。

Figure 2全面展示了M4CH对钙钛矿薄膜形貌与结晶特性的影响。图2A-B的SEM显示M4CH使晶粒尺寸从383nm增大至461nm,且晶界明显减少。图2C-D的底部SEM证实修饰后薄膜底部PbI₂片状物减少,界面接触更加致密,这与XRD中12.7° PbI₂峰减弱一致。图2E-H的原子力显微镜(AFM)显示M4CH使表面粗糙度(RMS)从19.8nm降至15.3nm,底部界面RMS从14.6nm降至12.1nm,有利于载流子传输。图2I-J的掠入射广角X射线散射(GIWAXS)图谱显示对照组的δ相(q=0.88Å⁻¹)和6H相(q=0.90Å⁻¹)在M4CH修饰后完全消失,仅保留强(001)取向信号(q=1.02Å⁻¹)。图2K的定量分析表明(001)/(011)晶面强度比从1.45提升至1.74,证实取向结晶优势。图2L的荧光量子产率(PLQY)测试显示M4CH使玻璃基底上的PLQY从9.6%提升至15.5%,在ITO/NiOx基底上从4.1%提升至11.8%,表明其同时改善体相质量和界面复合特性。这些结果系统证明了M4CH在三维空间全面改善薄膜质量的卓越效果。

Figure 3深入解析了M4CH调控结晶动力学的微观机制。图3A-B的原位紫外-可见光谱显示M4CH使湿膜达到最大吸收强度的时间从7.21s延长至7.83s,表明其延缓结晶过程。图3C的吸收强度-时间曲线进一步显示M4CH样品在550nm处的结晶平台期延长22%,为取向生长提供了更宽的时间窗口。图3F的PL强度动力学显示M4CH样品在第二阶段强度下降速率降低31%,证实其抑制随机取向晶粒生长的作用。图3H的XRD峰强演变显示M4CH使(001)峰强度增长率提升35%,而(011)峰增长被持续抑制,动态验证了取向选择过程。补充图S18的δ→α相变动力学分析显示M4CH使相变速率提升2.1倍,表明其通过中间相调控促进高质量α相形成。这些结果从成核-生长-相变全过程揭示了M4CH的结晶调控机制。

Figure 4详细阐明了M4CH对缺陷态与载流子动力学的调控作用。图4D的稳态荧光光谱显示M4CH使荧光峰蓝移3.2nm,半高宽减小8.5%,反映缺陷态减少。图4E的瞬态荧光(TRPL)显示M4CH使玻璃基底上载流子寿命从1.73μs延长至4.02μs。图4F的NiOx基底上TRPL显示界面复合寿命从1.01μs缩短至0.71μs,表明加速空穴提取。图4G的微分寿命分析揭示M4CH使初始载流子转移时间缩短42%,界面复合阶段寿命延长37%。图4H-I的能带示意图显示M4CH形成的正偶极层使界面能级偏移从0.22eV降至0.11eV,空穴提取势垒降低50%。这些结果从能量学与动力学角度完整揭示了性能提升的物理机制。

Figure 5展示了光伏性能与稳定性的全面评估结果。图5A的J-V曲线显示M4CH使冠军电池效率从22.50%提升至24.52%,Voc从1.132V增至1.181V,FF从80.2%提升至82.7%。图5B的统计分布表明M4CH器件效率集中在23.5-24.5%区间,重现性优异。图5J的器件湿热老化显示M4CH器件2036小时后效率保持91.8%,远超对照组的71.7%。图5K的热稳定性测试显示M4CH器件在85°C氮气中830小时后保持91.1%效率。

文章来源

https://www-sciencedirect-com.accproxy.lib.szu.edu.cn/science/article/pii/S2542435125002259

责任编辑:wanqin
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
横店东磁申请太阳能电池的制备方法专利,降低接触电阻来源:金融界 发布时间:2026-10-12 06:00:37

横店集团东磁股份有限公司于2026年6月向国家知识产权局申请了一项名为“太阳能电池的制备方法”的发明专利(公开号CN122892299A)。该专利聚焦于优化太阳能电池结构,通过在基底层受光面和/或背光面构建具有区域差异化的掺杂半导体层,使接触区表面凸起且掺杂浓度高于相邻非接触区,或在背光面交替设置两类掺杂层作为接触区,再配合电极制备。其核心技术创新在于实现局部精准调控,从而有效降低金属电极与半导体之间的接触电阻,进而提升电池的开路电压与短路电流。作为国内光伏与磁性材料领域的重要企业,横店东磁长期布局技术研发,截至当前已累计拥有专利2911项。(199字)

新区种子独角兽!用钙钛矿打开光伏新赛道来源:凤凰网 发布时间:2026-10-10 14:26:24

长春日耀光电科技有限公司是依托中国科学院长春应用化学研究所科研力量,于2023年9月在长春新区成立的东北首家专注钙钛矿太阳能电池研发与产业化的企业。公司以新型SAM分子材料、薄膜在线检测装备及钙钛矿电池组件为主营方向,已实现多项国际首创技术突破,包括无NiOx大面积制备工艺和SAM原位表征一体化装备,显著降低产线与制造成本。其钙钛矿/晶硅叠层电池效率达34.2%(NREL认证,全球前三),半透明电池效率率先突破12%。目前SAM材料市场渗透率超40%,大尺寸电池完成打样,省内首例钙钛矿自供能系统及100kW光储充电站即将落地。企业已签约多方战略伙伴,正加速建设中试线与电池产线,目标2030年建成投产,年产值不低于10亿元。

大面积钙钛矿太阳能电池光电转换效率创新高来源:科技日报 发布时间:2026-10-10 09:52:29

澳大利亚新南威尔士大学与UtmoLight公司合作,成功研制出面积达676平方厘米(30 cm × 30 cm)的大面积钙钛矿太阳能电池,实现23.5%的光电转换效率,刷新世界纪录。该成果证实钙钛矿技术在放大尺寸后仍能保持高效率,显著提升了其规模化制造与产业化应用前景。研究通过材料创新与工艺优化,取消了易引发不稳定的氧化镍层,简化制程并提升性能。团队下一步将试制2.8平方米的全尺寸商用组件,验证更大面积下的可行性。尽管钙钛矿在成本与光谱利用(如与硅基电池叠层)方面优势突出,但其在湿热环境下的稳定性、大面积均匀性控制及长期可靠性仍是产业化亟待突破的关键挑战。(199字)

美国ITC对TOPCon电池、组件等产品的337部分终裁发布来源:中国贸易救济信息网 发布时间:2026-10-08 14:07:22

2026年2月,美国First Solar公司向美国国际贸易委员会(ITC)提起337调查申请,指控多家中外光伏企业出口至美国的TOPCon太阳能电池、组件及相关产品侵犯其美国专利(US9130074),请求发布排除令和禁止令。ITC于3月正式立案(案号337-TA-1494)。此后数月间,ITC陆续作出多项终裁:批准特斯拉、比亚迪美国公司及Imperial Star等作为第三人参与;因申请人撤回,终止对天合光能(常州)、印度Adani及Mundra Solar等多家被告的调查;同时确认AXITEC旗下三家关联公司为缺席被告。该调查聚焦TOPCon技术领域的知识产权争端,涉及全球十余家主流光伏制造商,凸显中美在先进光伏技术贸易规则与专利保护方面的持续博弈。(198字)

园区光储解决方案:企业用电成本优化的系统路径与合作伙伴选择来源:阳光电源 发布时间:2026-09-29 10:49:36

本文围绕工业园区用电成本优化问题,系统阐述了光储(光伏发电+储能)解决方案的运作机理、实施路径与合作伙伴选型逻辑。文章指出,在分时电价深化与新能源技术成熟的背景下,园区可通过光伏自发自用、储能峰谷价差套利、需量管理与需求响应三大协同机制实现用电成本系统性下降,其成效依赖于智能化能量管理系统的统筹调度。文中以阳光电源为典型案例,从市场地位、核心产品、技术能力、项目经验及服务能力等维度,全面分析其在园区光储领域的综合优势:兼具光伏逆变器与储能系统全球头部地位、构网型技术长期积累、多行业规模化落地验证,以及覆盖设计—交付—运维的一站式服务能力。最后提出企业选型应聚焦行业地位与产品完整性、同场景项目经验、技术适配性三大维度,并针对小规模园区适用性、EMC与自投模式选择、并网流程等常见问题提供务实解答。

全球领先的光储科技品牌: 阳光电源全栈技术与全球价值解析来源:阳光电源 发布时间:2026-09-24 17:58:58

本文系统解析全球光储科技企业阳光电源的发展路径与核心价值。在能源转型背景下,公司依托29年电力电子技术积累,构建覆盖光伏逆变器与储能系统的全栈自研技术体系:光伏逆变器转换效率达99.11%,具备构网支撑能力;储能产品集成AI电芯管理与多电压等级并网技术,适配多元场景。其全球装机量截至2025年底突破1000吉瓦,储能系统集成量连续多年居世界首位。通过合肥、泰国等四大生产基地实现本地化交付,并提供涵盖集中式电站、水面光伏、工商业及户用等全场景光储解决方案,延伸至“光储充”与数智运维、碳管理服务,形成“设备+服务+运营”闭环,持续赋能全球清洁能源规模化应用与低碳发展。

目标效率29%!美印企业合作4GW钙钛矿叠层项目来源:TaiyangNews 发布时间:2026-09-24 09:00:27

印度GREW Solar公司与美国Caelux公司签署为期5年的商业化合作协议,共同推进4GW钙钛矿-硅叠层光伏组件在印度本土的量产,目标于2028年启动。合作核心是将Caelux的钙钛矿发电玻璃技术与GREW Solar的n型TOPCon电池(含G12R大尺寸平台)集成,开发高效率混合叠层组件,目标转换效率超过29%。此举标志着GREW Solar正式进入钙钛矿叠层技术领域,拓展其原有硅基技术布局,并确保产品符合印度ALMM认证要求。目前GREW Solar在拉贾斯坦邦拥有6.5GW组件产能(规划扩至11GW),并正在中央邦建设8GW电池及8GW硅片工厂。对Caelux而言,本协议使其全球合作总容量达19GW,此前已与印度Rayzon Solar和Navitas Solar各签约5GW。(199字)

印度可再生能源的兴与忧:发的了电,但存不起来源:看点资讯 发布时间:2026-09-24 08:47:18

本文聚焦印度可再生能源发展的“双面性”:一方面,其装机容量十年间从4吉瓦跃升至300吉瓦,2024年7月单日可再生能源发电曾覆盖超半数峰值需求,标志着清洁能源已从边缘走向电力系统核心;另一方面,输电基础设施严重滞后——跨邦输电项目四分之一延误超一年,2026年一季度近三分之二的弃电量(总计300吉瓦时)源于电网容量不足。发电项目(18–24个月建成)与输电工程(受土地征用、审批协调等制约)进度失衡,叠加西北部电源集中与储能发展受阻(因电池涨价、原材料短缺及融资成本上升),正构成实现2030年500吉瓦非化石能源目标的最主要运营风险。

双强标倒逼光伏材料无卤化:无卤阻燃剂厂家兴秀成的组件周边阻燃解决方案来源:咸宁新闻 发布时间:2026-09-23 17:42:51

本文介绍了2026—2027年光伏行业阻燃标准升级背景下,无卤阻燃材料的迫切需求与技术应对路径。工信部《光伏组件安全要求》强制性国标与新版GB 8624-2025标准同步实施,首次将光伏组件纳入建筑材料燃烧性能分级体系,明确要求接线盒、连接器、复合边框、线缆等外部聚合物部件必须满足V-1及以上阻燃等级,并通过“燃烧性能+产烟+滴落+烟气毒性”四维评价,无卤化由此成为合规底线。文章系统梳理了四大核心痛点:V-1达标与卤系禁用冲突、1500V系统对CTI≥500V的高压绝缘要求、25年户外服役下的耐候与抗析出挑战、BIPV场景的低烟无毒刚性约束。在此基础上,兴秀成公司依托磷氮系无卤阻燃技术,为四大光伏周边场景提供定制化解决方案,覆盖高CTI接线盒、耐候型连接器、V-0级复合边框及低烟无卤线缆,并已通过改性塑料企业进入宁德时代、比亚迪等头部供应链。全文聚焦政策驱动下的材料迭代逻辑与产业化落地路径。(198字)

8月全社会用电量再破万亿背后,藏着用电结构的“新”与“变”来源:新京报 发布时间:2026-09-23 15:07:21

8月全社会用电量达10332亿千瓦时,同比增长1.7%,用电负荷创历史新高至15.6亿千瓦。在气候因素导致城乡居民生活用电同比下降4.0%的背景下,第二、三产业成为增长主力:高技术及装备制造业用电增长7.2%,其中新能源车整车制造、电气机械等行业增速超12%;充换电服务业和互联网数据服务用电量分别激增51.2%和37.9%,反映绿色交通与人工智能算力需求快速扩张。1—8月累计数据显示,两类新业态用电合计达1842亿千瓦时,已接近居民生活用电量的六分之一。同期电力市场化交易电量同比增长15.2%,绿电交易稳步增长,凸显能源转型与机制改革协同推进。整体用电结构的“新”与“变”,真实映射了我国新旧动能转换加速、产业升级深化的经济转型进程。(199字)

锚定出海新标尺,通威联合编制的《一码通全球·金融助绿行——光伏组件产品数字护照(DPP)白皮书》顺利通过专家评审来源:通威股份 发布时间:2026-09-22 09:22:34

通威股份联合兴业银行成都分行发布《光伏组件产品数字护照(DPP)白皮书》,首创“金融+DPP”协同机制,系统破解欧盟ESPR等绿色贸易规则下的ESG合规、碳核算与供应链治理难题,提出“一产品一档案”落地路径与“通威实践”范式,获20余位权威专家高度评价并一致通过评审。