中科院寧波材料所葛子義團(tuán)隊(duì)倒置PSCs 25.15%效率

發(fā)表時間：2024/5/28 13:56:19

摘要

鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 因其高效率、低成本和可印刷性等優(yōu)點(diǎn)，成為最有希望取代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的下一代光伏技術(shù)。近年來，鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)的效率不斷攀升，已突破 25% 的瓶頸，但其長期穩(wěn)定性問題仍然是阻礙其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

為了解決這一挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的 Ziyi Ge 和 Daobin Yang 研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生自組裝單層 (SAMs)：IDCz-1、IDCz-2 和 IDCz-3，并將其用于制備倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)。通過調(diào)節(jié) IDCz 單位的兩個氮原子位置，有效地提高了分子偶極矩，并增強(qiáng)了 π-π 相互作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，使用 IDCz-3 作為空穴收集層的倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)表現(xiàn)出最佳的性能，其 PCE 達(dá)到了 25.15%，創(chuàng)下了多足 SAMs 基 PSCs 的新紀(jì)錄，并且未封裝的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小時，性能幾乎沒有下降，展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

本研究使用設(shè)備
QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)

研究背景與核心概念

倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)由于其結(jié)構(gòu)簡單、制備工藝易于控制等優(yōu)點(diǎn)，成為目前鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 中，空穴傳輸層 (HTL) 與鈣鈦礦薄膜的界面起著至關(guān)重要的作用，它決定了器件的效率和穩(wěn)定性。自組裝單層 (SAMs) 作為一種有效的界面修飾材料，近年來在鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它可以有效地鈍化界面缺陷，降低電荷復(fù)合，并改善載流子傳輸性能。

然而，現(xiàn)有的 SAMs 通常面臨著一些挑戰(zhàn)，例如無法有效改善埋藏界面缺陷、穩(wěn)定性不足等問題。為了進(jìn)一步提升鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率和穩(wěn)定性，需要開發(fā)新型的 SAMs 材料，并深入研究其作用機(jī)制。

研究方法與主要發(fā)現(xiàn)

該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生 SAMs：IDCz-1、IDCz-2 和 IDCz-3。這三種分子通過調(diào)節(jié) IDCz 單位的兩個氮原子位置，有效地提高了分子偶極矩，并增強(qiáng)了 π-π 相互作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過控制分子偶極矩和能級，可以改變 FTO 電極的功函數(shù) (WF)，從而調(diào)節(jié)鈣鈦礦的能帶彎曲，促進(jìn)空穴提取和阻擋電子。其中，使用 IDCz-3 作為空穴收集層的倒置 PSCs 表現(xiàn)出最佳的性能。

研究結(jié)果與討論
研究人員通過一系列表征手段，包括 UV-Vis、XPS、KPFM、SCLC 等，對 IDCz-3 的性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

提高鈣鈦礦薄膜質(zhì)量： IDCz-3 可以有效地提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，降低其表面粗糙度，從而減少缺陷。

降低缺陷密度： IDCz-3 可以有效地鈍化鈣鈦礦薄膜中的缺陷，包括晶界處和表面處的缺陷，從而降低缺陷密度。

促進(jìn)電荷傳輸： IDCz-3 可以有效地降低鈣鈦礦/HTL 界面的能壘，促進(jìn)空穴提取，提高器件的短路電流密度 (Jsc) 和填充因子 (FF)。

抑制非輻射復(fù)合： IDCz-3 可以有效地抑制非輻射復(fù)合，提高器件的開路電壓 (Voc) 和效率。

基于 IDCz-3 的倒置 PSCs 的 PCE 達(dá)到 25.15%，創(chuàng)下了多足 SAMs 基 PSCs 的新紀(jì)錄。此外，未封裝的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小時，性能幾乎沒有下降，展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

結(jié)論與展望

該研究開發(fā)的具有更大偶極矩的雙膦酸錨定自組裝分子，有效提升了鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率和穩(wěn)定性，為鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新的方向。

未來，可以通過進(jìn)一步優(yōu)化 SAMs 的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，例如：

合成具有更強(qiáng)偶極矩的分子。

優(yōu)化 SAMs 的分子排列方式，以提高其鈍化效果。

將 SAMs 與其他界面工程策略結(jié)合，進(jìn)一步提升 PSCs 的性能。

相信隨著研究的深入，鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的性能將會進(jìn)一步提升，并最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。。

本文參數(shù)圖:

Fig S19_ J-V曲線圖，分別代表基于IDCz-1、IDCz-2和IDCz-3的PSCs 。都顯示了正向（Forward）和反向（Reverse）掃描的電流密度（單位為安培每平方厘米）隨電壓（單位為伏特）變化的曲線。
· IDCz-1：正向和反向掃描曲線非常接近，表明器件性能穩(wěn)定。

· IDCz-2：同樣顯示出正向和反向掃描曲線重合，穩(wěn)定性好。

· IDCz-3：曲線與前兩者相似，也顯示出良好的重合性。

· 所有曲線在接近1.2V時電流密度迅速下降，這可能是由于達(dá)到了器件的最大功率點(diǎn)。曲線的形狀和穩(wěn)定性對于評估太陽能電池的性能非常重要。