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       麥克林提供各類鈣鈦礦試劑及其衍生產(chǎn)品，具有純度等級(jí)高、生產(chǎn)工藝先進(jìn)、支持研發(fā)定制等特點(diǎn)，能被廣泛適用于各類科研項(xiàng)目、研究實(shí)驗(yàn)中，歡迎選購(gòu)。

       本文通過(guò)以下幾點(diǎn)介紹麥克林鈣鈦礦試劑的產(chǎn)品特性及相關(guān)應(yīng)用：

        1.鈣鈦礦材料的定義

        2.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷

        3.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理

        4.麥克林鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相關(guān)產(chǎn)品介紹

鈣鈦礦材料的定義

       鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是一種具有ABX3晶型的奇特結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出豐富多彩的物理性質(zhì)包括絕緣體、鐵電、反鐵磁、巨磁/龐磁效應(yīng)，著名的是具有超導(dǎo)電性。這種ABX3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)以金屬原子為八面體核心、鹵素原子為八面體頂角、有機(jī)甲氨基團(tuán)位于面心立方晶格頂角位置，這種有機(jī)鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：
       （1）鹵素八面體共頂點(diǎn)連接，組成三維網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)Pauling的配位多面體連接規(guī)則，此種結(jié)構(gòu)比共棱、共面連接穩(wěn)定。
       （2）共頂連接使八面體網(wǎng)絡(luò)之間的空隙比共棱、共面連接時(shí)要大，允許較大尺寸離子填入，即使產(chǎn)生大量晶體缺陷，或者各組成離子的尺寸與幾何學(xué)要求有較大出入時(shí)，仍然能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；并有利于缺陷的擴(kuò)散遷移。

       鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)：
       （1）合適的直接帶隙：一般的帶隙約為1.5 eV，通過(guò)鹵族元素的替代可以調(diào)節(jié)禁帶寬度。
       （2）高的吸收系數(shù)：厚度為300 nm左右的鈣鈦礦材料便能吸收紫外到近紅外幾乎所有的光子。
       （3）優(yōu)異的載流子運(yùn)輸性能：優(yōu)良的雙極輸運(yùn)特性，CH3NH3PbI3中，電子和空穴的遷移率達(dá)到10cm2/(V·s)

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程

       2009年，Tsutomu Miyasaka等首次提出將CH3NH3PbI3 和CH3NH3PbBr3 (鈣鈦礦材料)制備成量子點(diǎn)(9-10 nm) 應(yīng)用到太陽(yáng)能電池中( 染料敏化太陽(yáng)能電池，簡(jiǎn)稱DSSC)。 研究在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，該類材料敏化TiO2的太陽(yáng)能電池性能。最后，獲得了3.8%的光電效率[1]。
2011年， Nam-Gyu Park將實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，制備的CH3NH3PbI3量子點(diǎn)達(dá)到2~3 nm，電池效率增加了一倍達(dá)到6. 54%。但是由于部分金屬鹵化物在液態(tài)電解質(zhì)中發(fā)生溶解，很大程度上降低了電池的穩(wěn)定性與使用壽命[2]。為了解決這一問(wèn)題，2012年Michael Grätzel 和 Nam-Gyu Park 將Spiro-OMeTAD作為有機(jī)空穴傳輸材料應(yīng)用到鈣鈦礦電池中，鈣鈦礦電池穩(wěn)定性和工藝重復(fù)性大大提高[3]。2012年至2014年間，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池迎來(lái)了光電轉(zhuǎn)換效率的第一個(gè)快速上升期，從10%左右提升至15. 4%[4,5]。

       Henry J. Snaith用氣相蒸發(fā)法制備了鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)電池，擺脫了復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，得到了效率高達(dá)15.4%的器件[5]。

       2014年之后，為克服CH3NH3PbI3本征的不穩(wěn)定性及對(duì)光的有限吸收，研究者們廣泛開(kāi)展了鈣鈦礦材料的組分工程研究。韓國(guó)化學(xué)技術(shù)研究所的Seok等使用γ-丁內(nèi)酯和二甲亞砜(DMSO)作為鈣鈦礦前驅(qū)體的混合溶劑，制備雙陰離子型CH3NH3Pb(I1-x Br)3(x=0.1-0.15)材料，最終的器件具有16.2%的認(rèn)證效率并且無(wú)遲滯現(xiàn)象[6]。之后，Eperon等通過(guò)改變有機(jī)陽(yáng)離子成分，制備出HC(NH2)2PbI3(FAPbI3)，但純相的FAPbI3，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，僅獲得了14.2%的效率[7]。在此基礎(chǔ)上，2015年間，Seok小組引人少量MA+陽(yáng)離子和Br陰離子等，以穩(wěn)定FAPbI3的α相,將效率進(jìn)一步提高到18%以上[8]。

       2016年初，Grätzel小組將無(wú)機(jī)銫離子(Cs+ )添加進(jìn)甲脒和甲基銨混合的鈣鈦礦之中,所制備的三陽(yáng)離子鈣鈦礦熱穩(wěn)定性更高、相雜質(zhì)更少、對(duì)加工條件的敏感性更低，最終相應(yīng)的器件獲得了21.1%的光電轉(zhuǎn)換效率[9]。同年，他們將離子半徑略小于Cs+且穩(wěn)定的陽(yáng)離子銣(Rb+)嵌人到鈣鈦礦相中,同時(shí)保留FA作為多數(shù)陽(yáng)離子，開(kāi)發(fā)了4種組合RbFA、RbCsFA、RbMAFA和RbCsMAFA，制備出了具有優(yōu)異性能的鈣鈦礦材料,器件實(shí)現(xiàn)了高達(dá)21.6%的穩(wěn)定效率[10]。隨著器件效率的穩(wěn)步攀升,科學(xué)家們將更多注意力放在了器件中各功能層間的界面接觸和缺陷鈍化上。2018年,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的游經(jīng)碧小組在FA-MA混合鈣鈦礦薄膜上使用有機(jī)鹵化鹽苯乙基碘化銨(PEAI)進(jìn)行表面缺陷鈍化,將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的認(rèn)證效率提高至23.3%[11]。

       目前，單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高認(rèn)證效率已經(jīng)達(dá)到了26.1%，由中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所、中國(guó)科學(xué)院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘旭研究員和田興友研究員團(tuán)隊(duì)與韓國(guó)成均館大學(xué)Nam-Gyu Park教授、華北電力大學(xué)戴松元教授合作,成功在反式鈣鈦礦太陽(yáng)電池研究方面取得新突破。研究團(tuán)隊(duì)可視化了垂直方向上鈣鈦礦薄膜中的空間不均勻相分布，并提出了設(shè)備性能受外平面組分不均勻性限制的觀點(diǎn)。此外，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)A位組分之間不平衡的結(jié)晶和相變過(guò)程對(duì)FA-Cs相分離有重要影響。為解決這一問(wèn)題，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種策略，利用1-(苯磺?；?吡咯（PSP）作為添加劑，延緩了FA-Cs鈣鈦礦的陽(yáng)離子分離行為。經(jīng)過(guò)PSP處理的p-i-n結(jié)構(gòu)的器件實(shí)現(xiàn)了26.1%的最高效率（認(rèn)證反向效率為25.8%和認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率為25.2%）。標(biāo)志著中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)[12]。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理

       介孔和平面結(jié)構(gòu)是PSCs中兩種主要的器件結(jié)構(gòu)。按照電荷傳輸層的沉積順序，其可進(jìn)一-步分為正置結(jié)構(gòu)(n-i-p) 和倒置結(jié)構(gòu)(p-i-n)。

       鈣鈦礦層通過(guò)吸收太陽(yáng)光來(lái)產(chǎn)生可以自由移動(dòng)的電子和空穴，通過(guò)自身的傳輸?shù)竭_(dá)與電荷傳輸層相連的界面，從而被電荷傳輸層提取和運(yùn)輸?shù)诫姌O。但實(shí)際上，電荷在到達(dá)電極之前會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的不同種類的非輻射復(fù)合損失，從而成為開(kāi)路電壓損耗的主要成因[13,14]。

麥克林鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相關(guān)產(chǎn)品介紹

       麥克林提供純度高、含水量低的鈣鈦礦材料、電子傳輸層材料、空穴傳輸層材料、二氧化錫漿料及其他通用試劑，助力鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展。

       麥克林鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相關(guān)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：

       1.結(jié)構(gòu)新穎、品種繁多

       2.純度等級(jí)高

       3.生產(chǎn)工藝先進(jìn)

       4.接受研發(fā)定制

有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦前體

鈣鈦礦材料及鈣鈦礦量子點(diǎn)

電子傳輸材料

空穴傳輸材料

載流子傳輸層添加劑

離子液體

參考文獻(xiàn)
[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
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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
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[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