與“正常”器件結構相比，具有“倒置”結構的鈣钛礦太陽能電池(PSC)具有更好的功率轉換效率(PCE)和運作穩定性，是實作這種新興光伏技術商業化的關鍵途徑。具體而言，由于改進的自組裝分子(SAM)和鈍化政策的發展，倒置PSC的PCE已超過25%。然而，SAM的潤濕性差和團聚會導緻界面損失，阻礙PCE和穩定性的進一步提高。
在此，華中科技大學陳炜教授、劉宗豪副教授與南韓成均館大學Nam-Gyu Park教授報告了倒置PSC中埋置界面處的分子雜化，通過将多羧酸官能化的芳香族化合物4,4',4''-腈三苯甲酸(NA)與流行的SAM[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸(Me-4PACz)共組裝以改善異質結界面。Me-4PACz與NA的分子雜化可以顯著改善界面特性。由此産生的倒置PSC顯示出創紀錄的26.54%穩态效率。至關重要的是，該政策與大規模制造無縫銜接，實作了倒置微型子產品的最高認證PCE，為22.74%（孔徑面積：11.1cm2）。該裝置在環境空氣中1太陽運作超過2400小時後，仍保持了其初始PCE的96.1%。相關研究成果以題為“Buried interface molecular hybrid for inverted perovskite solar cells”發表在《Nature》上。Sanwan Liu, Jingbai Li, Wenshan Xiao, Rui Chen, Zhenxing Sun, Yong Zhang為本文共同一作。
早在2023年7月，華中科技大學陳炜就以題為“Reduction of bulk and surface defects in inverted methylammonium- and bromide-free formamidinium perovskite solar cells”在《Nature Energy》上發文。
基于無甲基铵和無溴的甲脒三碘化鉛(FAPbI3)鈣钛礦的倒置鈣钛礦太陽能電池(PSC)的功率轉換效率仍然落後于具有正常配置的PSC。他們提高了FA0.98Cs0.02PbI3鈣钛礦薄膜的本體和表面品質，以縮小效率差距。首先，他們使用二丁基亞砜（一種路易斯堿添加劑）來提高結晶度并降低鈣钛礦本體的缺陷密度和内部殘餘應力。然後，他們用三氟碳改性的苯乙基碘化铵處理鈣钛礦薄膜的表面以優化能級、鈍化缺陷并保護薄膜免受潮濕。倒置PSC同時實作了25.1%的效率（第三方機構測得的反向電流-電壓掃描為24.5%）和更高的穩定性。該裝置在1太陽氣團1.5G光照下連續運作1800小時後，以及在濕熱條件（85°C和85%相對濕度）下連續運作1000小時後，分别保持了其初始功率轉換效率的97.4%和98.2%。
【混合SAM的理論篩選】
作者進行計算研究來評估不同SAM組合的有效性（圖1）。分子動力學（MD）模拟：作者利用 MD 模拟分析了 SAM 的界面構型。模拟結果表明，與其他測試過的酸（如苯甲酸和三美酸）相比，NA（4,4',4''-腈三苯甲酸）與 Me-4PACz（甲基咔唑膦酸）混合後在 NiO 表面形成的層更緊密、更均勻。密度泛函理論(DFT)計算：DFT用于探索吸附的能量有利性。結果表明，NA-Me-4PACz組合表現出更高的結合能，表明與NiO表面的互相作用更強，這可能導緻更有效的鈍化并減少重組。混合SAM效率：理論模型預測界面缺陷态減少約0.61 eV，進而提高載流子遷移率并減少能量損失。理論見解支援了實證研究結果，表明這種組合有助于界面處更好的能量排列和電荷轉移效率。
圖 1.HSL異質結的計算模拟
【埋入式接口品質】
SEM圖像顯示，與在其他SAM上生長的薄膜相比，在NA-Me-4PACz混合SAM上生長的鈣钛礦薄膜具有更少的納米空隙和更均勻的形态。具體來說，NA-MeSAM形成的鈣钛礦薄膜具有光滑的表面和緻密的晶粒，這表明了高品質的成膜。定量分析顯示，與對照相比，NA-MeSAM層中納米空隙的存在減少高達30%。此外，通過分子雜化增強，整個界面的覆寫一緻性提高了15%。掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）分析證明NA-Me上的鈣钛礦薄膜表現出較高的結晶度，沒有擇優取向，這有利于有效的載流子傳輸和提取。
圖 2. 鈣钛礦基底區域的形态和結構
【降低界面損失】
本節詳細介紹了如何通過混合SAM定制接口最大限度地減少能量損失。這是通過改善界面處能級的排列來實作的，進而促進有效的電荷轉移并減少複合損失。該方法的有效性通過增強的器件名額（例如開路電壓（VOC）和填充因子（FF））進行量化。詳細而言，光緻發光 (PL) 測量：NA-Me-4PACz 樣品表現出延長的 PL 壽命和降低的非輻射複合率。據稱，PL 壽命測量結果比基線 Me-4PACz 樣品延長了約 30%，表明界面處的非輻射複合減少。紫外光電子能譜（UPS）結果表明，NA-Me-4PACz 的價帶偏移減少了高達 0.2 eV，進而提高了載流子提取效率。NA-Me SAMs修飾的NiO/鈣钛礦界面具有最小的價帶偏移，有利于高效空穴提取并減少能量勢壘，進而有助于提高開路電壓（VOC）。
圖 3. 減少界面能量損失
【器件性能】
作者制作了具有氧化铟錫 (ITO)/NiO/SAMs/FA0.95Cs0.05PbI3/碘化哌嗪 (PI)/[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯 (PC61BM)/巴豆氯堿(BCP)/Ag 結構的倒置 PSC，以評估器件性能。采用NA-Me SAM的PSC 器件表現出最高 26.69% 的峰值功率轉換效率 (PCE) 和 1.201 V 的令人印象深刻的 VOC。穩定性測試表明，PSC在環境條件下1太陽光照下運作超過2400小時後，仍保留了96.1%的初始PCE，在濕熱條件下運作500小時後，仍保留了97.4%，展現出卓越的耐用性。
圖 4. 器件光伏性能
【總結】
NA與Me-4PACz的內建作為NiO/鈣钛礦界面上的混合SAM顯着提高了倒置PSC的效率和穩定性。這些發現為高性能太陽能電池的開發提供了一條有希望的途徑，由于其堅固性和可制造性，該太陽能電池在商業上也是可行的。未來的研究可能集中于進一步優化SAM成分并探索大面積太陽能電池闆的可擴充性。
--檢測服務--
來源：高分子科學前沿