為減少鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)能量損失,優(yōu)化界面接觸和能帶對(duì)齊至關(guān)重要。四川大學(xué)彭強(qiáng)團(tuán)隊(duì)于Energy & Environmental Science八月發(fā)表將氟取代琥珀酸衍生物引入鈣鈦礦底部界面,其中四氟琥珀酸(TFSA)因其對(duì)稱結(jié)構(gòu)和強(qiáng)電負(fù)性成為最佳界面調(diào)節(jié)劑。TFSA通過多位點(diǎn)氫鍵穩(wěn)定FA陽離子,配位效應(yīng)失活未配位Pb2+缺陷,并調(diào)節(jié)MeO-2PACz形貌和表面電位,形成高質(zhì)量鈣鈦礦膜。結(jié)果,0.09 cm2倒置器件效率達(dá)25.92%(認(rèn)證25.77%),電壓損失僅0.36 V,長(zhǎng)期穩(wěn)定性出色。12.96 cm2微模塊效率達(dá)22.78%,展示擴(kuò)展?jié)摿?。本研究為調(diào)控埋藏界面能量損失提供有效途徑,實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的倒置鈣鈦礦太陽能電池。
有機(jī)-無機(jī)混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因高效率、簡(jiǎn)便制備和經(jīng)濟(jì)性在太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域嶄露頭角。倒置PSCs已達(dá)26.15%認(rèn)證效率,展現(xiàn)巨大應(yīng)用潛力。然而,PSCs效率仍未達(dá)理論極限,主要受鈣鈦礦膜電壓損失和界面缺陷影響。界面能量損失是提高效率的關(guān)鍵障礙,尤其在底部界面。高性能倒置PSCs多基于自組裝單分子層(SAMs)空穴傳輸層,但實(shí)現(xiàn)缺陷封閉仍具挑戰(zhàn)。SAMs分子聚集阻礙高密度單分子層形成,不利于界面接觸和鈣鈦礦結(jié)晶。埋藏界面影響膜形態(tài)、缺陷和穩(wěn)定性,組分異質(zhì)性導(dǎo)致缺陷積累和非輻射復(fù)合,降低開路電壓。光不穩(wěn)定PbI2降解進(jìn)一步影響穩(wěn)定性。
過量FAI可補(bǔ)償缺陷,抑制離子遷移和相分離,但陷阱仍集中于界面附近。界面修改策略旨在重新分布不良組分,減少缺陷。預(yù)嵌FAI層有效消除PbI2殘留,但熱退火導(dǎo)致有機(jī)陽離子流失,均勻分布仍具挑戰(zhàn)。因此,需要新策略同時(shí)解決SAM HTLs排列、鈣鈦礦結(jié)晶和界面接觸問題。
本研究提出埋藏界面能量損失調(diào)控策略,通過多功能界面橋調(diào)節(jié)SAMs性質(zhì)和鈣鈦礦生長(zhǎng)。引入氟化琥珀酸衍生物,其中TFSA通過多重作用機(jī)制優(yōu)化界面。TFSA抑制碘空位缺陷,穩(wěn)定FA陽離子,調(diào)控MeO-2PACz排列和表面電位。結(jié)果獲得高質(zhì)量鈣鈦礦膜,小面積器件效率達(dá)25.92%,填充因子85.06%,創(chuàng)RbCsFAMA基倒置PSCs新高。未封裝器件在高溫和光照下展現(xiàn)優(yōu)異穩(wěn)定性。12.96 cm2微模塊效率達(dá)22.78%,顯示良好擴(kuò)展性。
參考文獻(xiàn)DOI:10.1039/D4EE02964J
研究手法與步驟
1. 材料合成:合成氟代小分子材料。
2. 太陽能電池制造:
a. 制備空穴傳輸層(HTL)。
b. 旋涂氟代小分子材料作為界面改性層。
c. 旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。
d. 使用抗溶劑處理以促進(jìn)薄膜結(jié)晶。
e. 在110°C下進(jìn)行熱退火處理。
3. 迷你模塊制造:
a. 使用真空輔助的方法制造大面積鈣鈦礦薄膜。
b. 旋涂前驅(qū)體溶液,并在低壓下快速去除溶劑。
c. 在110°C下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的退火處理。
d. 使用激光刻劃系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)連接的圖案化。
4. 表征分析:
a. XRD分析鈣鈦礦薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。
b. SEM和AFM分析薄膜的表面形態(tài)。
c. KPFM測(cè)量表面電位。
d. NMR分析氟代小分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
e. UV-vis吸收光譜分析薄膜的光學(xué)性質(zhì)。
f. PL和TRPL測(cè)量薄膜的發(fā)光特性。
圖S17. 控制組、SA、DFSA和TFSA基鈣鈦礦材料的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜。
g. EIS分析太陽能電池的電化學(xué)性質(zhì)。
h. ENLITECH REPS-VOC設(shè)備
· 用于在黑暗條件下檢測(cè)EQEEL(電致發(fā)光外部量子效率)光譜。
· I-V曲線測(cè)量范圍為0-1.5 V,步長(zhǎng)為0.02。
· EL測(cè)量在1.9 V的應(yīng)用電壓下進(jìn)行。
· 通過擬合I-V和EL來獲得EQEEL。
圖S30。分別為(a)對(duì)照組,(b)SA處理組,(c)DFSA處理組和(d)TFSA處理組的烏爾巴赫能量(Eu)曲線。
i. ENLITECH PECT-600設(shè)備:
l 用于進(jìn)行HS-EQE(高靈敏度EQE)測(cè)量。
l Urbach能量通過擬合尾態(tài)來獲得。
研究團(tuán)隊(duì)采用了光焱科技提供的能量耗損分析設(shè)備系列,包括 REPS和FTPS(型號(hào)PECT-600)設(shè)備專門針對(duì)ΔE2和ΔE3的Voc耗損進(jìn)行必要的參數(shù)分析。光焱科技的完整Voc耗損分析系統(tǒng)可將上述設(shè)備的數(shù)據(jù)直接執(zhí)行導(dǎo)入與導(dǎo)出,有效簡(jiǎn)化了原本繁瑣且需要大量計(jì)算驗(yàn)證的研究流程,從而成功獲取器件各階段所需的關(guān)鍵參數(shù),并降低了程序負(fù)荷和人為計(jì)算錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。
5. 性能測(cè)試:
a. J-V曲線測(cè)量以評(píng)估電池的效率。
b. 穩(wěn)定性測(cè)試,包括最大功率點(diǎn)(MPP)追蹤和熱穩(wěn)定性測(cè)試。
c. 表面張力測(cè)量以計(jì)算Flory-Huggins交互作用參數(shù)(χ)。
6. 結(jié)果分析與討論:
a. 分析氟代小分子對(duì)鈣鈦礦薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。
b. 評(píng)估迷你模塊的效率和穩(wěn)定性。
TFSA器件有效限縮Voc耗損僅為0.36 V
研究人員通過引入四氟琥珀酸(TFSA)作為界面調(diào)節(jié)劑,成功地調(diào)控了鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的埋藏界面能量損失,實(shí)現(xiàn)了高效且穩(wěn)定的器件性能。TFSA通過對(duì)稱的分子結(jié)構(gòu)和多活性位點(diǎn),有效抑制了碘空位缺陷的形成,穩(wěn)定了FA陽離子,并優(yōu)化了自組裝單分子層(SAMs)的排列和能級(jí),從而獲得了高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。結(jié)果顯示,基于TFSA的器件在0.09 cm2的孔徑面積上實(shí)現(xiàn)了25.92%的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE),Voc缺口僅為0.36 V,這是基于RbCsFAMA鈣鈦礦的反轉(zhuǎn)PSCs的高效率。此外,該策略還被應(yīng)用于迷你模塊,實(shí)現(xiàn)了22.78%的PCE,展現(xiàn)了其擴(kuò)展應(yīng)用的潛力。未經(jīng)封裝的器件也展現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和熱老化穩(wěn)定性,證明了這一策略在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和潛力。這項(xiàng)工作為開發(fā)高效穩(wěn)定的反轉(zhuǎn)PSCs提供了一種創(chuàng)新性的界面能量損失調(diào)控方法。
此研究成功突破了以下研究困境:
鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的效率提升:通過使用四氟琥珀酸(TFSA)作為界面調(diào)節(jié)劑,研究成功地提高了反轉(zhuǎn)式PSCs的效率,實(shí)現(xiàn)了25.92%的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE),這是基于RbCsFAMA鈣鈦礦體系的高效率。
鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量改善:TFSA的使用顯著降低了碘空位缺陷的形成,穩(wěn)定了FA陽離子,并通過改善自組裝單分子層(SAMs)的排列和能級(jí),獲得了高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。
界面缺陷的減少:研究提出了一種多功能界面橋策略,通過調(diào)節(jié)SAMs的性質(zhì)和鈣鈦礦晶體生長(zhǎng),有效減少了界面缺陷,降低了電荷傳輸阻隔,并抑制了非輻射復(fù)合。
長(zhǎng)期穩(wěn)定性的提高:未經(jīng)封裝的器件展現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期熱老化和操作穩(wěn)定性,超過73%和84%的初始效率在600小時(shí)連續(xù)熱老化和1826小時(shí)最大輸出功率點(diǎn)跟蹤后得以保留。
可擴(kuò)展性驗(yàn)證:策略被擴(kuò)展到迷你模塊,實(shí)現(xiàn)了22.78%的PCE,展現(xiàn)了在擴(kuò)大鈣鈦礦膜應(yīng)用潛力方面的成功。
克服了有機(jī)陽離子在熱退火過程中的損失挑戰(zhàn):研究成功解決了在熱退火過程中有機(jī)陽離子損失的問題,實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦在埋藏界面上均勻分布的組成。
文獻(xiàn)參考自Energy & Environmental Science_ DOI:10.1039/D4EE02964J
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