鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因其高功率轉換效率(PCE)和低制造成本,成為備受矚目的光伏(PV)技術。本文深入探討了PSCs領域的變化,通過分析各種維度多樣性(包括零維(0D)、一維(1D)、二維(2D)和三維(3D)結構),并探索了混合維度集成在提高這些有前途的光伏設備穩定性和性能方面的潛力。為了微調鈣鈦礦材料的性能,研究人員采用了諸如鈍化策略、界面工程和精確晶體生長控制等前沿方法。這些方法顯著提高了開路電壓(V_OC)、長期穩定性和PCE。本文還深入討論了每種維度集成中涉及的復雜權衡,為材料性能、器件架構和制造技術之間的復雜相互作用提供了重要見解。PSCs中的維度多樣性代表了推動光伏技術前沿的動態路徑,為科學家和工程師實現下一代太陽能電池的全部潛力提供了寶貴指導。總之,本文全面分析了鈣鈦礦基太陽能電池的發展、挑戰和潛力,通過探討印刷技術、穩定性問題、應用以及鈣鈦礦材料的特殊性質,為高效PSCs的發展做出了貢獻。
近年來,鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因其有望徹底變革光伏(PV)產業 而備受關注。PSCs的功率轉換效率(PCE)在實驗室條件下已超過25%,這一水平與傳統硅基太陽能電池相當。PSCs不僅效率高,而且生產成本低,可通過旋涂和噴墨打印等大規模生產技術制造,相較于需要高能耗制造工藝的傳統硅太陽能電池,PSCs更具成本優勢。鈣鈦礦材料因其卓越的光學和電子特性,在太陽能電池應用中展現出極高的適應性。隨著研究的深入,PSCs的穩定性、可擴展性和耐久性均得到了顯著提升,預計未來商業化進程將進一步加快。
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圖1. 本綜述文章概述了鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)中的維度多樣性(0D、1D、2D和3D)及其混合維度集成的潛力。
解析
這段文字是對圖1的簡要描述,主要包含了以下幾個關鍵點:
1、綜述文章概述:這段文字是對某篇綜述文章內容的概括性介紹,說明該文章將討論的主題和范圍。
2、鈣鈦礦太陽能電池(PSCs):這是文章討論的核心對象,即鈣鈦礦太陽能電池,這是一種具有潛力的光伏技術。
3、維度多樣性(0D、1D、2D和3D):文章將探討鈣鈦礦太陽能電池中的維度多樣性,包括零維(0D)、一維(1D)、二維(2D)和三維(3D)結構。這些不同維度的結構在鈣鈦礦太陽能電池中具有不同的特性和應用。
*0D結構:通常指的是量子點或納米顆粒等零維材料,在鈣鈦礦太陽能電池中可能用于增強光吸收或電荷傳輸。
*1D結構:如納米線或納米棒,可以提供直接的電荷傳輸路徑,有助于減少電荷復合。
*2D結構:如層狀鈣鈦礦材料,具有優異的環境穩定性和獨特的光電性質。
*3D結構:傳統的鈣鈦礦太陽能電池多采用三維結構,具有高吸光系數和優異的電荷傳輸性能。
4、混合維度集成的潛力:文章還將探討混合不同維度結構的鈣鈦礦太陽能電池的潛力,即結合0D、1D、2D和3D結構的優點,以進一步提高電池的性能和穩定性。這種混合維度集成策略有望為鈣鈦礦太陽能電池的發展開辟新的途徑。
5、圖1的作用:圖1作為綜述文章的概述圖,可能展示了不同維度結構在鈣鈦礦太陽能電池中的示意圖,以及混合維度集成的概念性圖示。這有助于讀者快速理解文章的主要內容和研究重點。
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圖2 (a) 多步生產方法的示意圖。(b) 具有和不具有Cs4PbBr6的CsPbBr3基鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的J-V特性。(c) Cs4PbBr6誘導載流子復合的過程。(d) 具有ReSe2定制結構的全無機CsPbBr3 PSC。(e) 全無機、ReSe2定制的CsPbBr3 PSC的能級圖。(f) J-V曲線。(g) 不同PSCs在有無ReSe2情況下的光伏性能統計。(a)-(g) 已獲許可復制,版權2022,Wiley。(h) 左上角是MA4PbI6·2H2O的晶體結構,右上角是MAPbI3的晶體結構。(i) 圖像展示了純甲基銨碘化鉛樣品(藍色)、在100°C下熱退火后(紅色)以及冷卻至室溫后(藍色虛線)的光學吸收情況。(h)和(i) 已獲許可復制,版權2021,ACS。(j) J-V特性。(k) 具有Ag和Au頂接觸的MABI器件的穩定性隨功率轉換效率(PCE)隨時間的變化。(j)和(k) 已獲許可復制,版權2017,RSC。(l) 能級圖中的數字是相對于真空給出的。(m) 在光照下,具有(CH3NH3)3Bi2I9吸收體(藍色)和無吸收體的參考電池(黑色)的J-V曲線。(l)和(m) 已獲許可復制,版權2016,Elsevier。
解析
這段文字主要描述了圖2中各個子圖的內容及其來源,涵蓋了鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)在不同維度(0D、1D、2D、3D)下的性能研究,特別是混合維度集成對電池性能的影響。以下是對各部分的詳細解析:
1、多步生產方法示意圖(圖2a):
*展示了全無機CsPbBr3 PSCs的一種多步生產方法,旨在通過精確控制相變來避免0D Cs4PbBr6相的形成,從而提高電池性能。
2、J-V特性(圖2b):
*對比了具有和不具有Cs4PbBr6的CsPbBr3基PSCs的J-V特性,表明Cs4PbBr6的存在會降低電池的功率轉換效率(PCE)。
3、載流子復合過程(圖2c):
解釋了Cs4PbBr6如何誘導載流子復合,從而影響電池性能。
4、ReSe2定制結構的全無機CsPbBr3 PSC(圖2d-g):
*展示了通過引入ReSe2納米片來定制全無機CsPbBr3 PSC的結構(圖2d)。
*給出了該結構的能級圖(圖2e)和J-V曲線(圖2f)。
*統計了不同PSCs在有無ReSe2情況下的光伏性能(圖2g),表明ReSe2的引入可以顯著提高PCE。
5、MA4PbI6·2H2O和MAPbI3的晶體結構及光學吸收(圖2h-i):
*展示了MA4PbI6·2H2O和MAPbI3的晶體結構(圖2h)。
*通過光學吸收圖像(圖2i)展示了純甲基銨碘化鉛樣品在熱退火前后的變化,表明通過熱退火可以實現從0D到3D的相變。
6、MABI器件的J-V特性和穩定性(圖2j-k):
*給出了MABI器件的J-V特性(圖2j),表明使用Au接觸的器件性能優于Ag接觸的器件。
*展示了具有Ag和Au頂接觸的MABI器件的穩定性隨時間的變化(圖2k),表明Au接觸的器件具有更好的長期穩定性。
7、(CH3NH3)3Bi2I9吸收體的J-V曲線和能級圖(圖2l-m):
*給出了(CH3NH3)3Bi2I9吸收體的能級圖(圖2l),相對于真空給出了各能級的能量。
*展示了在光照下,具有(CH3NH3)3Bi2I9吸收體和無吸收體的參考電池的J-V曲線(圖2m),表明(CH3NH3)3Bi2I9吸收體具有一定的光伏性能,但整體效率較低。
這段文字通過多個子圖詳細展示了鈣鈦礦太陽能電池在不同維度和材料組合下的性能研究,為理解混合維度集成對電池性能的影響提供了重要依據。
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圖3 (a) 設備架構示意圖。(b) ITO/SnO2/鈣鈦礦/spiro-OMeTAD結構器件的SEM橫截面圖像。(c) 經CBAH處理和未處理設備的J-V特性。(d) 55個新制備設備的統計Voc特性。(e) 在各種環境下,經CBAH處理(紅色)和未封裝(藍色)的鈣鈦礦太陽能電池的PCE演變。(a)–(e) 已獲授權重印。65 版權所有 2022,Wiley。(f) 制備PSCs的器件架構示意圖及兩步旋涂工藝。(g) 反向掃描設備的J-V曲線。(h) 最佳性能UTP 5設備和對照設備在50 mV s−1掃描速率下的正向和反向掃描J-V曲線。(i) 設備在50 mV s−1掃描速率下的統計PCE。(f)–(i) 已獲授權重印。66 版權所有 2021,Elsevier。(j) 單根碘化鉛量子線的圖像。(k) N2、N3和N4 PSCs的不同J-V曲線掃描方向。(l) 封裝后的N4和3D PSCs在80°C和85%相對濕度下進行存儲穩定性測試(N4 PSC的PCE為13.1%)。(j)–(l) 已獲授權重印。145 版權所有 2019,RSC。
解析
這段文字主要描述了圖3中展示的一系列關于鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的實驗結果和圖表,具體解析如下:
1、設備架構示意圖(圖3a):
展示了PSCs的內部結構,包括各層材料的排列和組成。
2、SEM橫截面圖像(圖3b):
通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到的ITO/SnO2/鈣鈦礦/spiro-OMeTAD結構器件的橫截面圖像,揭示了各層之間的界面和微觀結構。
3、J-V特性(圖3c):
展示了經過CBAH處理和未處理設備的電流-電壓(J-V)特性曲線,用于評估設備的性能,特別是光電轉換效率(PCE)。
4、統計Voc特性(圖3d):
展示了55個新制備設備的開路電壓(Voc)統計特性,反映了設備Voc的一致性和穩定性。
5、PCE演變(圖3e):
描述了在不同環境下(如光照、溫度、濕度等),經過CBAH處理和未封裝的PSCs的PCE隨時間的變化情況,用于評估設備的長期穩定性和耐久性。
6、器件架構示意圖及兩步旋涂工藝(圖3f):
展示了制備PSCs的器件架構和兩步旋涂工藝流程,這是制備高效PSCs的關鍵步驟之一。
7、反向掃描設備的J-V曲線(圖3g):
展示了反向掃描條件下設備的J-V曲線,用于分析設備的性能和電荷傳輸特性。
8、最佳性能設備的J-V曲線(圖3h):
展示了最佳性能UTP 5設備和對照設備在正向和反向掃描條件下的J-V曲線,用于比較不同處理或結構對設備性能的影響。
9、統計PCE(圖3i):
展示了設備在特定掃描速率下的統計PCE,反映了設備性能的穩定性和一致性。
10、單根碘化鉛量子線的圖像(圖3j):
展示了單根碘化鉛量子線的圖像,這種量子線可能用于構建1D鈣鈦礦結構,以提高PSCs的性能。
11、不同J-V曲線掃描方向(圖3k):
展示了N2、N3和N4 PSCs在不同掃描方向下的J-V曲線,用于分析掃描方向對設備性能評估的影響。
12、存儲穩定性測試(圖3l):
描述了封裝后的N4和3D PSCs在高溫高濕環境下的存儲穩定性測試結果,用于評估設備在實際應用中的耐久性和可靠性。
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圖4 (a) 基于準二維ACI GA(MA)nPbnI3n+1(n = 5)的PSC器件結構。(b) 經過和未經過(原始)ImI處理的PSC在正向和反向掃描下的J-V曲線。(c) 在最大功率點(MPP)下,以0.948 V的偏置電壓測量PSC的穩定功率輸出。未經處理(原始)和處理后的樣品均含有2 mg mL−1的ImI。(d) 經過和未經過2 mg mL−1 ImI處理的PSC以及基于MAPbI3的PSC的穩定性。(a)-(d) 已獲許可重印。68 版權所有 2022, ACS。(e) PVSC器件能帶對齊圖,(f) 不同NH4SCN濃度下器件的J-V曲線,(g) PSC的光電流,(h) 基于(PEA)2(MA)4Pb5I16(n = 5)鈣鈦礦薄膜的PSC器件在氮氣手套箱和55%濕度環境下的穩定性測試。(e)-(h) 已獲許可重印。69 版權所有 2018, Wiley。(i) 使用多晶3D鈣鈦礦薄膜并在晶界處含有2D鈣鈦礦的器件示意圖…(內容省略)…目標器件與對照器件的PCE比較。器件保存在黑暗且濕度可控的環境中。(i)-(k) 已獲許可重印。148 版權所有 2018, Nature。(l) 基于MA和FA的2D鈣鈦礦在斜向和分級垂直排列中的晶體取向和相分布示意圖。(m) 最佳純MA、FA/MA和純FA器件在正向和反向掃描下的J-V曲線。(n) 高效低維鈣鈦礦太陽能電池PCE總結。(l)-(n) 已獲許可重印。70 版權所有 2022, Wiley。(o) 0和6 mol% MACl摻雜的PSC冠軍器件的J-V曲線。插圖展示了MACl摻雜如何改變堆疊的鈣鈦礦薄膜。已獲許可重印。149 版權所有 2020, ACS。(p) 不含spiro-OMeTAD的PSC的PCE統計數據,根據M2P前驅體溶液的不同條件分類。已獲許可重印。150 版權所有 2020, Wiley。
解析
這段文字詳細描述了圖4中各個子圖的內容及其來源,主要圍繞準二維(quasi-2D)和二維(2D)鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的性能和穩定性展開。以下是對各部分的解析:
1、(a) 器件結構:
展示了基于準二維ACI GA(MA)nPbnI3n+1(n = 5)的PSC器件結構,這種結構有助于理解器件的物理構造和工作原理。
2、(b) J-V曲線:
比較了經過和未經過ImI處理的PSC在正向和反向掃描下的J-V曲線,展示了ImI處理對器件性能的影響。ImI處理可能改善了器件的電荷傳輸或減少了復合損失,從而提高了性能。
3、(c) 穩定功率輸出:
在最大功率點(MPP)下測量了PSC的穩定功率輸出,表明經過ImI處理的器件在持續工作下能保持更高的功率輸出。
4、(d) 穩定性測試:
評估了經過和未經過ImI處理的PSC以及基于MAPbI3的PSC的穩定性,發現ImI處理顯著提高了器件的穩定性,這對于實際應用至關重要。
5、(e)-(h) 能帶對齊、J-V曲線、光電流和穩定性:
(e) 展示了PVSC器件的能帶對齊圖,有助于理解器件中的電荷傳輸機制。
(f) 探討了不同NH4SCN濃度對器件J-V曲線的影響,表明NH4SCN的添加可以優化器件性能。
(g) 測量了PSC的光電流,反映了器件對光的響應能力。
(h) 測試了基于(PEA)2(MA)4Pb5I16(n = 5)鈣鈦礦薄膜的PSC器件在氮氣手套箱和55%濕度環境下的穩定性,發現器件在氮氣環境中更穩定。
6、(i)-(k) PCE比較:
比較了目標器件與對照器件的PCE(光電轉換效率),發現目標器件在特定條件下表現出更高的效率,這可能歸因于器件結構的優化或材料的改進。
7、(l)-(n) 晶體取向、相分布和PCE總結:
(l) 展示了基于MA和FA的2D鈣鈦礦在斜向和分級垂直排列中的晶體取向和相分布示意圖,有助于理解2D鈣鈦礦的結構特性。
(m) 比較了最佳純MA、FA/MA和純FA器件在正向和反向掃描下的J-V曲線,展示了不同材料組合對器件性能的影響。
(n) 總結了高效低維鈣鈦礦太陽能電池的PCE,提供了該領域性能水平的概覽。
8、(o) MACl摻雜的J-V曲線:
展示了0和6 mol% MACl摻雜的PSC冠軍器件的J-V曲線,表明MACl摻雜可以顯著改善器件性能,插圖展示了摻雜如何改變堆疊的鈣鈦礦薄膜結構。
9、(p) PCE統計數據:
提供了不含spiro-OMeTAD的PSC的PCE統計數據,根據M2P前驅體溶液的不同條件分類,有助于理解不同制備條件對器件性能的影響。
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圖5 (a) 展示了雙面鈍化PSC中各層順序的示意圖。(b) 展示了控制PSC和鈍化PSC的PCE(光電轉換效率)光伏參數波動圖。(c) 展示了性能最優的控制PSC和雙面鈍化PSC的J-V(電流密度-電壓)曲線。(d) 展示了在最大功率點(MPP)穩定后的PSC效率(插圖展示了最初40秒的穩定過程,顯示了控制電池和鈍化電池之間的瞬態響應差異)。(a)-(d) 已獲授權重印。版權所有 2020,ACS(美國化學學會)。(e) 展示了器件的橫截面SEM(掃描電子顯微鏡)圖像。(f) 展示了在太陽能電池中使用的不同添加量的鈣鈦礦吸收層的J-V曲線。(g) 測試了有無10% en-FASnI3負載的太陽能電池在AM1.5 G(全球大氣質量1.5)連續光照下的老化能力。(h) 展示了在正向和反向電壓掃描下測量的含有10% en-FASnI3鈣鈦礦吸收層的最佳PSC的J-V曲線。(i) 展示了10%封裝器件隨存儲時間的效率變化。(e)-(i) 已獲授權重印。版權所有 2017,Science(科學雜志)。
解析
這段文字詳細描述了圖5中各個子圖的內容及其來源授權信息,主要圍繞雙面鈍化鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的性能研究展開。以下是對各部分的詳細解析:
1、圖5(a):
內容:展示了雙面鈍化PSC中各層順序的示意圖。
解析:此圖可能展示了從底部到頂部依次為透明導電氧化物(TCO)層、電子傳輸層(ETL)、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層(HTL)以及金屬電極層的結構,其中鈍化層可能位于鈣鈦礦吸收層的兩側。
2、圖5(b):
內容:展示了控制PSC和鈍化PSC的PCE光伏參數波動圖。
解析:通過對比控制PSC和鈍化PSC的PCE隨時間或其他條件的變化,可以評估鈍化處理對PSC穩定性和效率的影響。
3、圖5(c):
內容:展示了性能最優的控制PSC和雙面鈍化PSC的J-V曲線。
解析:J-V曲線是評估太陽能電池性能的重要手段,通過對比控制PSC和鈍化PSC的J-V曲線,可以直觀看出鈍化處理對電池性能的提升效果。
4、圖5(d):
內容:展示了在最大功率點(MPP)穩定后的PSC效率,插圖展示了最初40秒的穩定過程。
解析:此圖展示了PSC在最大功率點下的穩定效率,以及電池從啟動到穩定過程中的瞬態響應差異,有助于理解電池在實際工作條件下的性能表現。
5、圖5(e):
內容:展示了器件的橫截面SEM圖像。
解析:SEM圖像提供了器件內部結構的直觀視圖,有助于分析各層之間的界面質量和整體結構特征。
6、圖5(f):
內容:展示了在太陽能電池中使用的不同添加量的鈣鈦礦吸收層的J-V曲線。
解析:通過改變鈣鈦礦吸收層的添加量,研究其對太陽能電池性能的影響,有助于優化吸收層的厚度和組成。
7、圖5(g):
內容:測試了有無10% en-FASnI3負載的太陽能電池在AM1.5 G連續光照下的老化能力。
解析:此測試評估了en-FASnI3作為添加劑對太陽能電池老化性能的影響,有助于了解添加劑在提高電池穩定性方面的作用。
8、圖5(h):
內容:展示了在正向和反向電壓掃描下測量的含有10% en-FASnI3鈣鈦礦吸收層的最佳PSC的J-V曲線。
解析:通過對比正向和反向電壓掃描下的J-V曲線,可以評估電池在不同工作條件下的性能表現,以及en-FASnI3添加劑對電池性能的影響。
9、圖5(i):
內容:展示了10%封裝器件隨存儲時間的效率變化。
解析:此圖展示了封裝器件在存儲過程中的效率衰減情況,有助于評估封裝技術對延長電池使用壽命的效果。
10、版權信息:
所有子圖均已獲授權重印,并注明了版權所有者和出版年份。這確保了圖片使用的合法性和合規性。
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圖6
(a) 二維-三維垂直異質結結構(2D-3D PVHH)示意圖。
(b) 冠軍模塊的J-V特性曲線。插圖展示了模塊的照片,其有效面積為342平方厘米。為防止機械損傷,模塊進行了簡單封裝并保存在黑暗處。在65%相對濕度下評估了模塊的穩定性。
(c) 在65%相對濕度條件下的穩定性評估。
(d) 在環境大氣條件下的穩定性評估。
(a)-(d) 經許可復制,版權所有2018,Wiley。
(e) 由寬帶隙Cs0.17FA0.83Pb(I0.6Br0.4)3鈣鈦礦薄膜吸收層和通過在鈣鈦礦上沉積BABAr溶液制成的二維-RP(Ruddlesden-Popper)中間層組成的太陽能電池示意圖。
(f) 使用反向(開放符號)和正向(閉合符號)掃描來確定具有和不具有BABr(2 mg mL−1)鈍化層的冠軍器件的J-V特性曲線。
(g) 冠軍器件在連續光照下的穩態功率轉換效率(SPCE)。
(e)-(g) 經許可復制,版權所有2019,Wiley。
(j) 目標-1和目標-2器件的J-V特性曲線。
(k) 使用50個不同器件收集相應器件的統計PCE數據。
(j)和(k) 經許可復制,版權所有2022,Wiley。
(l) 左側展示了3D/2D界面示意圖和3D/2-TMAI 2D界面的橫截面SEM圖像。
(m) 比較新加熱器件和根據熱循環進行熱老化的器件的PCE統計數據。
(l)和(m) 經許可復制,版權所有2022,Wiley。
(n) p-i-n型太陽能電池的示意圖,使用鈣鈦礦異質結構作為活性層。
(o) 在100 mW cm−2光照下,不同PEA2PbI4層厚度的2D/MAPI/2D異質結太陽能電池的J-V特性曲線。
(n)和(o) 經許可復制,版權所有2019,ACS。
(p) J-V特性曲線。插圖展示了DJ二維-三維鈣鈦礦的示意圖架構。經許可復制,版權所有2020,Elsevier。
解析
這段文字詳細描述了圖6中各個子圖的內容及其來源和版權信息。圖6主要展示了二維-三維混合維度鈣鈦礦太陽能電池的不同結構和性能評估。
二維-三維垂直異質結結構(2D-3D PVHH):
示意圖(a)展示了這種結構的基本架構。
冠軍模塊的J-V特性曲線(b)及其穩定性評估(c, d)在特定濕度和環境條件下進行,顯示了模塊的性能和耐久性。
寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池:
示意圖(e)展示了由寬帶隙Cs0.17FA0.83Pb(I0.6Br0.4)3鈣鈦礦薄膜和二維-RP中間層組成的太陽能電池結構。
J-V特性曲線(f)和穩態功率轉換效率(g)評估了具有和不具有BABr鈍化層的器件性能。
目標器件性能評估:
J-V特性曲線(j)展示了目標-1和目標-2器件的性能。
統計PCE數據(k)基于50個不同器件的收集,提供了器件性能的分布情況。
3D/2D界面和熱穩定性評估:
3D/2D界面示意圖和橫截面SEM圖像(l)展示了界面的微觀結構。
PCE統計數據(m)比較了新加熱器件和熱老化器件的性能,評估了熱穩定性。
p-i-n型太陽能電池和異質結結構:
示意圖(n)展示了p-i-n型太陽能電池的結構,使用鈣鈦礦異質結構作為活性層。
J-V特性曲線(o)評估了不同PEA2PbI4層厚度的2D/MAPI/2D異質結太陽能電池的性能。
DJ二維-三維鈣鈦礦:
J-V特性曲線(p)和示意圖架構(插圖)展示了DJ二維-三維鈣鈦礦的結構和性能。
這段文字提供了對圖6中各個子圖的詳細解釋,包括它們的結構、性能評估方法和結果,以及相關的版權信息。
PSCs作為一種極具前景的光伏技術,正迅速獲得認可。本文全面分析了PSCs的維度多樣性,從0D到3D結構,并探討了混合維度集成在提高穩定性和性能方面的潛力。通過現代技術如鈍化、界面工程和精確控制晶體生長,鈣鈦礦材料得到了顯著優化,實現了長期穩定性和整體效率的提升。盡管PSCs在效率上已取得顯著進展,但長期穩定性、可擴展性和毒性問題仍是其商業化應用的主要障礙。未來的研究應繼續聚焦于提高PSCs的穩定性、效率和可擴展性,同時探索無鉛鈣鈦礦材料以減少環境影響。通過克服這些挑戰,混合維度PSCs有望成為可再生能源領域的重要力量,為清潔、高效的能源解決方案提供可能。DOI: 10.1039/d3ta06953b
轉自《石墨烯研究》公眾號