钙钛矿太阳能电池寿命难题被破解 工业仪器何时进入清洁能源时代

随着世界气候变化和环境问题日益严重，发展清洁能源已成为当务之急。 在此背景下，太阳能作为一种清洁的可再生能源，显得愈加重要。 钙钛矿太阳能电池作为一种新型太阳能电池，由于其能量转换效率高、生产成本低而备受关注。 但其使用寿命一直是制约其发展的问题。 近日，中国科学家成功解决了这一难题，为钙钛矿太阳能电池的商业化应用铺平了道路。 与此同时，工业仪器仪表在清洁能源时代的作用也越来越重要。

据中国科学院合肥物质科学研究院网站11月2日消息，中国科学院材料科学研究所、合肥光伏与节能重点实验室潘旭、田兴友研究员团队中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所与韩国成均馆大学合作。 Nam-Gyu Park教授与华北电力大学戴松元教授合作，成功在交叉钙钛矿太阳能电池研究方面取得新突破。 研究团队首次发现钙钛矿阳离子面外分布不均匀是影响电池性能的主要原因，并设计了1-(苯磺酰基)吡咯(PSP)作为添加剂，以均匀化钙钛矿阳离子的相分布。钙钛矿薄膜的光电转换效率（PCE）达到26.1%。 相关成果于2023年11月2日发表在《自然》杂志加速在线出版（AAP）上。

钙钛矿太阳能电池是采用钙钛矿型有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。 它们是新概念太阳能电池。 经过多年的发展，传统的界面钝化和结晶控制方法极大地推动了电池的发展。 然而近年来，此类电池的效率提升在相关研究中明显放缓，相关研究遇到了“瓶颈”。 研究人员发现，钙钛矿薄膜中经常不可避免地发生相分离。 研究团队之前的工作表明，有效管理卤素相分离有助于提高器件性能（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 2213932）。 高效钙钛矿材料通常通过在纯碘体系中使用阳离子掺杂组分来获得，特别是FA1-xCsxPbI3体系。 不同阳离子组分在钙钛矿体相外侧方向的分布对钙钛矿体相有影响。 载流子扩散和界面提取至关重要。 深入研究阳离子的面外分布不仅有助于理解钙钛矿体相中的载流子动力学过程，而且有望进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率。 然而，钙钛矿体相中不同阳离子组分的分布以及影响电池稳定性和效率损失的原因目前尚不清楚。

基于此，研究团队从FA1-xCsxPbI3体系出发，通过定量元素分析和飞行时间二次离子质谱研究了甲脒（FA）和铯（Cs）阳离子的纵向分布和X射线光电子能（ToF-SIMS）。 光谱。 （XPS）深入分析发现，无机Cs阳离子倾向于沉积在薄膜的底部，而有机FA阳离子则富集在薄膜的上界面。 在此基础上，研究团队对钙钛矿薄膜的晶相分布进行了深入分析。 通过掠入射 X 射线衍射 (GIXRD) 和透射电子显微镜 (TEM) 对薄膜横截面的分析表明，薄膜底部存在较小的晶面间距。 晶相并显示出与薄膜底部的富铯钙钛矿相关的特征信号。 这些实验充分证明了阳离子面外方向梯度分布的不均匀性。 这也是钙钛矿薄膜中阳离子成分不均匀的面外分布的首次视觉验证。

研究团队通过原位实验方法进一步分析了这种梯度分布不均匀的原因，发现不同阳离子在结晶和相变过程中的速率差异过大是造成成分不均匀的主要原因。 此外，团队还设计了PSP分子来补偿不同阳离子之间结晶和相变速率的差异，制备出均匀的钙钛矿薄膜。 这种阳离子成分分布均匀的钙钛矿薄膜有效抑制了底部富Cs相引起的准I型能级排列，大大提高了载流子寿命和扩散长度，强化了载流子界面。

工业仪器仪表如何应用清洁能源

钙钛矿太阳能电池是一种新型太阳能电池，其能量转换效率远高于传统太阳能电池。 然而它的寿命问题一直困扰着科学家和工程师。 近日，中国科学家通过合理的设计方法成功解决了这一难题，将钙钛矿太阳能电池的寿命从原来的1500~2000小时延长到3500小时以上。

这一技术突破为钙钛矿太阳能电池的商业应用铺平了道路。 预计未来几年，钙钛矿太阳能电池将广泛应用于光伏发电领域，为世界清洁能源的发展做出贡献。

工业仪器仪表在清洁能源时代的作用至关重要。 随着科学技术的进步和环保意识的提高，工业仪器仪表将逐步进入清洁能源时代。 以下是相关报道：

高能源效率：新型清洁能源技术，如钙钛矿太阳能电池、风能、水能等，将有助于提高能源效率、降低生产成本、减少对环境的影响。

智能化、自动化：工业仪表将更加智能化、自动化，利用人工智能、大数据、物联网等技术，实现能源系统优化调度、运行管理、故障诊断等功能。

绿色制造：在工业仪器的设计和制造过程中，我们将更加注重环境保护和可持续发展，采用绿色材料和生产工艺，减少能源消耗和环境污染。

系统集成：清洁能源时代，工业仪表对多种能源方式进行集成和补充，提高能源供应的稳定性和可靠性。

安全可靠：清洁能源时代，工业仪器仪表将强化对安全可靠性的要求，以保证能源系统的正常运行和人员的安全。

综上所述，钙钛矿太阳能电池寿命问题的解决，为清洁能源时代带来了新的可能性。 随着科学技术的不断进步和工业仪器的升级换代，我们可以期待更加环保、高效、可持续的清洁能源时代的到来。

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