鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其出色的光電轉換效率、低廉的生產成本以及簡便的制造工藝，近年來成為光伏技術研究的熱門方向。鈣鈦礦材料具有優異的光吸收特性和可調節的能帶結構，使其在光伏領域展示出巨大潛力。傳統的PSC多采用金屬電極（如金、銀等），雖然這些金屬電極能夠提供良好的導電性，但其高昂的成本和復雜的制備工藝限制了大規模應用。

為了降低生產成本并提升器件的柔性可加工性，研究人員逐漸將目光轉向碳材料電極。碳電極不僅價格低廉、資源豐富，而且在高溫和濕度等惡劣環境下表現出更好的穩定性。此外，碳材料的多樣性和可加工性使其能夠適應柔性太陽能電池的需求，進一步拓寬了PSC的應用前景。

盡管如此，如何提升碳電極鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率仍然是該領域面臨的一個重大挑戰。當前的研究主要集中在優化碳電極的結構、改進鈣鈦礦層的質量以及提升電荷傳輸效率等方面。通過與國際研究機構的合作，如河南大學與中東地區的KAUST聯合攻關，科學家們正在不斷探索新的方法和材料，力求突破效率瓶頸，推動鈣鈦礦太陽能電池技術的進一步發展。

碳電極鈣鈦礦太陽能電池的結構主要包括以下部分:

l  基底材料: 通常是玻璃或者柔性塑料。

l  導電氧化物層: 例如FTO（摻氟氧化錫）或者ITO（氧化銦錫），用于作為底電極。

l  電子傳輸層（ETL）: 例如二氧化鈦 (TiO?) 或氧化鋅 (ZnO)， 用于電子的傳導。

l  鈣鈦礦吸光層: 通常為有機-無機雜化鈣鈦礦材料， 例如甲胺鉛碘 (MAPbI?)。

l  空穴傳輸層（HTL）: 例如聚噻吩 (PEDOT) 或氧化鎳 (NiO)， 用于空穴的傳導。

l  碳電極層: 碳電極可以通過涂覆、 印刷或者噴涂的方法沉積在空穴傳輸層上。

近期， 河南大學譚付瑞 等科研人員在 Nano Micro Small 期刊上發表了一篇重要研究成果， 他們在碳電極鈣鈦礦太陽能電池領域取得了突破性進展。 研究團隊通過對傳統的空穴傳輸層材料聚（3-己基噻吩）（P3HT）進行精細的分子排列控制， 有效地提高了電池的性能。

【精準操控， 突破傳統材料瓶頸， 提升碳電極鈣鈦礦太陽能電池性能】

Stefaan De Wolf教授 是沙特阿卜杜拉國王科技大學 (KAUST) 太陽能中心的教授， 他的研究團隊致力于提升鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性， 在該領域有著重要的影響力。

與一般3D鈣鈦礦太陽能電池的主要差異如下：

l  電極材料: 一般 3D 鈣鈦礦太陽能電池常用金屬電極（例如金、 銀）作為頂電極， 而碳電極鈣鈦礦太陽能電池使用廉價且穩定的碳材料。

l  成本和穩定性: 碳電極相對于貴金屬電極成本更低， 并且在高溫和潮濕環境下表現出更好的穩定性。

l  制備方法: 碳電極的制備可以更加簡單和低成本， 適用于大規模生產。

l  設備性能: 由于碳電極的導電性和光學特性與金屬電極不同， 可能會對太陽能電池的效率和光電轉換性能產生影響。

研究團隊指出， 傳統使用的 P3HT 空穴傳輸層材料， 其分子通常會呈現出 “邊緣取向” (Edge-on) 的排列模式， 導致其烷基側鏈直接接觸鈣鈦礦層， 阻礙了鈣鈦礦/P3HT 界面的高效電荷傳輸。 為了克服這一挑戰， 該團隊開發了一套協同策略， 通過添加劑和溶劑工程， 成功地將 P3HT 空穴傳輸層的分子排列模式轉變為 “三維取向” (3D Orientation) 。 這種新的排列方式不僅提高了電荷傳輸速率， 而且增強了 P3HT 薄膜的抗濕性能， 同時也優化了 P3HT 材料與鈣鈦礦層的能級排列， 促進了載流子的收集和轉移。

這項創新技術帶來以下積極成果：

1.   高效載流子傳輸: 新排列的 P3HT 薄膜可以有效降低電荷傳輸阻抗， 使光生載流子能夠更快速地轉移到電極， 從而提高電池的短路電流密度。

2.   抗濕性提升: 改進的分子排列模式提高了材料的抗濕能力， 從而增強了電池的穩定性。

3.   優化能級匹配: 更精確的分子排列能夠優化材料的能級排列， 促使電子或空穴更有效地從鈣鈦礦層傳輸到電極， 從而提升電池的開路電壓和填充因子。

【創新合作，顯著提高碳電極鈣鈦礦太陽能電池性能】

這項研究成果使得小面積 (0.04 cm2) 和 大面積 (1 cm2) 的器件分別取得了 20.55% 和 18.32% 的顯著效率。

研究團隊使用光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 和 SS-X 系列 A+ 級太陽光模擬器 對所制備的碳電極鈣鈦礦太陽能電池進行了測試。

n   光焱科技的 QE-R 設備能夠準確測量電池在不同波長下的外量子效率 (EQE)， 幫助研究人員更準確地分析材料的光電轉換特性。

n   光焱科技的 SS-X 系列 A+ 級太陽光仿真器則能夠模擬真實的陽光照射條件， 使研究結果更接近實際應用情況。

該團隊的研究突破了碳電極鈣鈦礦太陽能電池領域一直存在的瓶頸， 為設計更高效的碳電極器件提供了新思路。 更重要的是， 這種新型材料結構也有望應用在其他光電器件中， 例如柔性器件和串聯太陽能電池等等。

該研究團隊成功地利用新策略， 將傳統空穴傳輸材料的分子排列方式進行了優化， 從而提升了碳電極鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。 他們的研究成果 在探索新型高性能太陽能電池領域取得了重要進展， 未來將會為可再生能源的發展注入更大的活力。

重要技術參數：

小面積器件效率： 20.55%

大面積器件效率： 18.32%

關鍵技術: P3HT 分子取向調控

關鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 級太陽光模擬器

參考文獻

Molecular Orientation Regulation of Hole Transport Semicrystalline-Polymer Enables High-Performance Carbon-Electrode Perovskite Solar Cells _Nano Micro Small. July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015

【本研究參數圖】

Figure S1. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different solvent.

Figure S2. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different additive.

Figure S3. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different amount of additive.

Figure S23. a) PLQY values of the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (10mg/mL), PVK/Target P3HT (10mg/mL); b) PLQY values of the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (0.5mg/mL), PVK/Target P3HT (0.5mg/mL); c) Voltage loss originated from non-radiative recombination for the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (0.5mg/mL), PVK/Target P3HT (0.5mg/mL).

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文獻參考自Nano Micro Small. July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015

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