三连发！电池领域国内高校今日三篇Nature!

2023年5月25日，中科院上海微系统与信息技术研究所，南方科技大学，南京工业大学分别以第一单位在Nature上发表了关于太阳能电池的研究进展，其从不同类型电池设计，效率提升以及太阳能电池的可持续发展角度论述了现在和今后的发展方向，这也为太阳能电池进一步商业化应用打下了基础！

一、中科院上海微系统与信息技术研究所/长沙理工大学Nature:晶圆边缘钝化实现可折叠柔性太阳能电池

【研究背景】

由于其重量轻，防震且自供电，柔性太阳能电池在建筑物和可穿戴电子产品中具有广泛的市场潜力。其中，硅作为地壳中最丰富的半导体元素，其被制成晶圆以生产当前光伏市场中约95%的太阳能电池。然而，这些电池在弯曲应力下很脆并且会开裂，从而限制了它们在柔性器件中的大规模应用。目前，虽然非晶硅、Cu(In, Ga)Se₂、CdTe、有机物和钙钛矿表现出柔韧性，但由于其功率转换效率（PCE）低，有毒物质释放到环境中，在大面积和不稳定工作条件下性能较差而受到限制。

【成果简介】

鉴于此，中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘正新研究员，孟凡英研究员，狄增峰研究员，张丽平副研究员和刘文柱，联合长沙理工大学刘小春特聘教授等人提供了一种大规模制造可折叠硅片和柔性太阳能电池的策略。研究显示，基于有纹理的晶体硅晶片总是在晶圆边缘区域的表面金字塔之间的尖锐通道处开始破裂的事实，通过钝化边缘区域的金字塔结构来提高硅片的柔性，这种边缘钝化技术可实现大规模（>240 cm²）和高效（>24%）的硅基太阳能电池商业化生产，且可以像一张纸一样卷起来。更加关键的是，在经历1000次左右弯曲循环后，电池仍然能够保持100%的功率转换效率，且将这些电池进行放大后（>10000 cm²），在-70°C和85°C之间热循环120小时后，仍然保留99.62%的功率。此外，当连接到软气囊（模拟暴风雨期间的风吹）时，它们在暴露于气流96分钟后仍保留96.03%的功率。

相关研究成果以“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges”为题发表在Nature上。

【核心内容】

图1. 可折叠晶圆。（a）纹理c-Si晶圆的SEM图像；（b）140μm纹理c-Si晶圆的荷载-垂直位移（F-D）曲线；（c）表面有金字塔的多纹理c-Si晶圆（60 μm）。

图2. 断裂面几何相位分析（GPA）。（a，b）具有尖锐和圆形锥的晶圆断裂面形貌；（c，d）高分辨率的STEM-HAADF图像显示了从晶圆断裂面的[001]方向观察到的数十个原子深度处的具有尖锐的和圆形的金字塔原子排列，其在在断裂表面沉积了保护性碳层；（e，f）尖金字塔晶圆在x方向和y方向的弹性晶格应变分布；（g，h）圆形金字塔晶圆在x方向和y方向的弹性晶格应变分布。

图3. 太阳能电池性能。（a）本研究中使用的硅异质结（SHJ）太阳能电池的结构示意图；（b）15.6cm×15.6cm柔性SHJ太阳能电池的光学照片；（c）SHJ太阳能电池的FF和PCE；（d）两个微型模块的归一化功率作为光θ入射角的函数测试；（e）柔性c-Si太阳能电池器件面积的演变；（f）在标准条件下测试了双面、单面和柔性SHJ模块的质量功率比。

图4. 太阳能电池稳定性。（a）柔性SHJ太阳能电池在弯曲循环中性能的演变；（b）将一个大的（>10000 cm²）柔性SHJ太阳能组件连接到软气囊上；（c，d）连续空气撞击前后模块的功率和电致发光图像；（e）五个柔性SHJ模块在-70℃和85℃之间热循环120小时前后的相对功率。

【文献信息】

Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges, 2023, Nature.

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z

二、南方科技大学Nature:使用二甲基吖啶基掺杂剂实现25.39%创纪录的钙钛矿太阳能电池PCE

【研究背景】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）在过去的十年里取得了令人印象深刻的进步，其功率转换效率（PCE）超过25%，同时可分为正常和倒置两种器件。高效正常器件面临不可避免的掺杂SpiroOMeTAD空穴传输层（HTL）的退化，相比之下，倒置器件具有更简单的器件结构和更多的HTL材料选择，例如有机和无机。然而对于HTL，流行的聚合物也会遭受光和热诱导的降解以及水分损伤。为了解决上述问题，倒置钙钛矿太阳能电池的进展避免了HTL材料的降解和界面分解，并降低了材料和相关制造工艺的成本。然而，目前对钙钛矿/ITO肖特基接触处的载流子输运行为和p-掺杂剂的空间分布的研究很少，其器件性能不如常规的倒置PSCs。此外，未钝化的钙钛矿晶界充满了深层阱。因此，需要进一步了解对掺杂剂分子在ITO上钙钛矿膜的形成和器件的能级排列方面的工作机制。

【成果简介】

鉴于此，南方科技大学何祝兵教授等人报道了一种基于二甲基吖啶的分子掺杂过程，构建了一个良好匹配的p-钙钛矿/ITO接触，以及晶界的全面钝化，从而实现了25.39%的认证功率转换效率（PCEs）。研究显示，在氯苯淬灭结晶过程中，分子从前驱体溶液挤出到晶界和薄膜衬底，被称之为分子挤出过程。同时，分子的去质子化膦酸基团与钙钛矿的聚碘化铅之间的核心配位复合物负责机械吸收和电子电荷转移，使得钙钛矿薄膜实现p型掺杂。更加重要的一点是，本文的研究实现了一个25.86%的创纪录的PCE，以及在光浸泡1000小时后保持初始PCE的96.6%的器件。

相关研究成果以“Inverted perovskite solar cells using dimethylacridine-based dopants”为题发表在Nature上。

【核心内容】

图1. 三种钙钛矿薄膜的结构和性能表征。（A）沉积在ITO衬底上的三种薄膜的吸收光谱的Tauc图；（B）在玻璃上沉积的薄膜的TRPL衰变光谱；（C）不同钙钛矿薄膜沉积的 XRD图谱；（D-J）ITO/钙钛矿样品中钙钛矿薄膜的SEM图像；（E-K）ITO/DMAcPA/钙钛矿样品中钙钛矿薄膜的SEM图像；（F-L）ITO/钙钛矿（DMAcPA）样品中钙钛矿薄膜的SEM图像。

图2. AFM-IR和ToF-SIMS作为分子挤压机制的证据。（A-F）ITO/DMAcPA/钙钛矿（未掺杂）膜顶部表面（A、D）、底表面（B、E）和分离ITO表面（C、F）AFM-IR形貌图和相应的1415cm^-1处的吸收图像；（G-L）ITO/钙钛矿（DMAcPA）薄膜的顶表面（G、J）、底表面（H、K、）和分离ITO表面（I、L）的AFM-IR形貌和相应的1415cm^-1吸收图像；（M，N）ITO/DMAcPA/钙钛矿和ITO/钙钛矿（DMAcPA）样品的ToF-SIMS曲线图。

图3. 分子挤压机制的研究。（A）不同碘剂量下不同碘化物在CD₂Cl₂和DMF-d7中DMAcPA的¹H NMR谱；（B）脱质子DMAcPA在PbI₂端FAPbI₃晶体表面的吸附结构；（C）纯DMAcPA和与碘化铅或钙钛矿混合的FTIR光谱；（D）基于DFT预测DMAcPA和钙钛矿之间的电子转移；（E）分子挤压模型的示意图。

图4. 钙钛矿/ITO肖特基触点处的空穴转移机理的研究。（A-C）三种钙钛矿薄膜的裸ITO和分离ITO表面的UPS截止区域、顶表面和顶表面的起始区域；（D-F）ITO/钙钛矿、ITO/DMAcPA/钙钛矿和ITO/钙钛矿（DMAcPA）的能级图。

图5. 基于ITO/DMAcPA/钙钛矿（控制）和ITO/钙钛矿（DMAcPA）（目标）肖特基触点的钙钛矿太阳能电池的器件性能测试和器件分析。（A）太阳能电池的J-V特性；（B）EQE光谱；（C）在环境空气中AM 1.5光照下封装钙钛矿太阳能电池的连续MPP跟踪；（D，E）EIS曲线和莫特-肖特基曲线；（F）深层瞬态光谱（DLTS）和相应的阿伦尼乌斯图；（H，I）相应器件的能带及缺陷的能级图。

【文献信息】

Inverted perovskite solar cells using dimethylacridine-based dopants, 2023, Nature.

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06207-0

三、南京工业大学及其合作者Nature综述:可持续钙钛矿太阳能电池

【研究背景】

卤化铅钙钛矿是一种用于太阳能收集的有前途的半导体材料，但当考虑到破碎电池潜在的有害泄漏到环境中，以及从公众接受的角度来看，重金属铅离子的存在是有问题的。此外，世界各地关于铅使用的严格立法推动了通过环保和具有成本效益的途径回收报废产品战略制定的创新。其中，铅固定作为一种策略，可在较大的pH和温度范围内将水溶性铅离子转化为不溶性，非生物可利用和不可运输的形式，并在设备损坏时抑制铅泄漏。理想的方法应确保足够的铅螯合能力，而不会对器件性能、生产成本和回收产生实质性影响。

【成果简介】

鉴于此，南京工业大学张辉副研究员，韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授，Michael Grätzel教授，意大利那不勒斯费德里克二世大学Antonio Abate教授等人综述了从钙钛矿太阳能电池中固定Pb²⁺的化学方法，如颗粒隔离、铅络合、结构整合和泄漏铅的吸附，基于其将铅泄漏抑制到最低水平的可行性。同时，强调需要建立标准的铅泄漏测试和相关数学模型，以可靠地评估钙钛矿光电子学的潜在环境风险。

相关综述成果以“Lead immobilization for environmentally sustainable perovskite solar cells”为题发表在Nature上。

【核心内容】

图1. 来自钙钛矿太阳能电池的铅泄漏途径及其对其潜在环境影响的估计。装置制造和室外运行过程中进入地下水的铅泄漏路径示意图，以及它们对人体影响的估计，其通过考虑2050年世界人口和发电所需的PSC总铅量。

图2. PSCs中的铅固定化方法。用疏水聚合物、氧化物或不溶性铅盐来阻止水进入。添加剂和铅化合物与低K_sp的络合物，允许从环境水中沉淀。

图3. 提出了铅泄漏检测和装置结构。（a）在钙钛矿层的水浸泡和水从钙钛矿层滴水的情况下，检测铅泄漏的示意图；（b）本文建议的铅固定的装置结构，包括内部和外部策略。

综上，虽然基于铅的钙钛矿太阳能电池的研究在效率和稳定性两方面都取得了迅速的进展，但下一阶段如何实现技术大工业可持续性，避免任何可能的铅泄漏。问题是，研究人员应该关注哪些选择，以实现开发不损害环境或人类健康的安全技术的目标，以及需要放弃哪些做法：

1）在PSC中实现固铅

现有的PSC中的铅清除技术包括原位晶粒封装、降低铅溶解度、加强内部连接和捕获泄漏的铅。考虑到避免铅污染的可用方法和可能导致设备损坏的情况，可以勾勒出铅固定的未来蓝图。为了在不牺牲器件性能的情况下提高SQE，需要进一步优化PSC内部用于铅固定的添加剂的光学常数（例如，折射率、吸收系数）和电性能（例如，电导率、能级），以消除它们对光电荷产生和提取的影响。此外，应通过调整配位强度、添加剂浓度或加工方法来调整添加剂与铅前驱体之间的相互作用，以提高钙钛矿结晶度。

2）考虑PSC的整个生命周期

在考虑 PSC 的整个生命周期时，应避免铅泄漏。从制备用于光伏应用的卤化铅钙钛矿薄膜开始，绝大多数研究人员已将旋涂作为他们选择的方法；这应该被其他溶液处理方法所取代，例如槽模涂布、丝网印刷或刮刀，因为与旋涂相比，且仅浪费了非常小比例的钙钛矿前驱体。此外，可以在前驱体溶液中引入固铅策略，以减少含铅废物的生物利用率。

最后，基于卤化铅钙钛矿的光电器件的实际应用应伴随着其风险评估，防止在其运行期间和使用寿命结束时的铅泄漏不仅是法律要求的，而且是一项道德义务。关于铅使用的具体立法可以推动铅固定和设备回收战略制定的创新。同时，必须计划应急整治，以减少发生火灾事故时铅土污染的无意空气排放。此外，PSC在投放市场之前应通过标准测试，以评估铅泄漏的潜在风险。

【文献信息】

Lead immobilization for environmentally sustainable perovskite solar cells, 2023, Nature.

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05938-4