与“正常”器件结构相比，具有“倒置”结构的钙钛矿太阳能电池(PSC)具有更好的功率转换效率(PCE)和运行稳定性，是实现这种新兴光伏技术商业化的关键途径。具体而言，由于改进的自组装分子(SAM)和钝化策略的发展，倒置PSC的PCE已超过25%。然而，SAM的润湿性差和团聚会导致界面损失，阻碍PCE和稳定性的进一步提高。
在此，华中科技大学陈炜教授、刘宗豪副教授与韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授报告了倒置PSC中埋置界面处的分子杂化，通过将多羧酸官能化的芳香族化合物4,4',4''-腈三苯甲酸(NA)与流行的SAM[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸(Me-4PACz)共组装以改善异质结界面。Me-4PACz与NA的分子杂化可以显著改善界面特性。由此产生的倒置PSC显示出创纪录的26.54%稳态效率。至关重要的是，该策略与大规模制造无缝衔接，实现了倒置微型模块的最高认证PCE，为22.74%（孔径面积：11.1cm2）。该设备在环境空气中1太阳运行超过2400小时后，仍保持了其初始PCE的96.1%。相关研究成果以题为“Buried interface molecular hybrid for inverted perovskite solar cells”发表在《Nature》上。Sanwan Liu, Jingbai Li, Wenshan Xiao, Rui Chen, Zhenxing Sun, Yong Zhang为本文共同一作。
早在2023年7月，华中科技大学陈炜就以题为“Reduction of bulk and surface defects in inverted methylammonium- and bromide-free formamidinium perovskite solar cells”在《Nature Energy》上发文。
基于无甲基铵和无溴的甲脒三碘化铅(FAPbI3)钙钛矿的倒置钙钛矿太阳能电池(PSC)的功率转换效率仍然落后于具有常规配置的PSC。他们提高了FA0.98Cs0.02PbI3钙钛矿薄膜的本体和表面质量，以缩小效率差距。首先，他们使用二丁基亚砜（一种路易斯碱添加剂）来提高结晶度并降低钙钛矿本体的缺陷密度和内部残余应力。然后，他们用三氟碳改性的苯乙基碘化铵处理钙钛矿薄膜的表面以优化能级、钝化缺陷并保护薄膜免受潮湿。倒置PSC同时实现了25.1%的效率（第三方机构测得的反向电流-电压扫描为24.5%）和更高的稳定性。该装置在1太阳气团1.5G光照下连续运行1800小时后，以及在湿热条件（85°C和85%相对湿度）下连续运行1000小时后，分别保持了其初始功率转换效率的97.4%和98.2%。
【混合SAM的理论筛选】
作者进行计算研究来评估不同SAM组合的有效性（图1）。分子动力学（MD）模拟：作者利用 MD 模拟分析了 SAM 的界面构型。模拟结果表明，与其他测试过的酸（如苯甲酸和三美酸）相比，NA（4,4',4''-腈三苯甲酸）与 Me-4PACz（甲基咔唑膦酸）混合后在 NiO 表面形成的层更紧密、更均匀。密度泛函理论(DFT)计算：DFT用于探索吸附的能量有利性。结果表明，NA-Me-4PACz组合表现出更高的结合能，表明与NiO表面的相互作用更强，这可能导致更有效的钝化并减少重组。混合SAM效率：理论模型预测界面缺陷态减少约0.61 eV，从而提高载流子迁移率并减少能量损失。理论见解支持了实证研究结果，表明这种组合有助于界面处更好的能量排列和电荷转移效率。
图 1.HSL异质结的计算模拟
【埋入式接口质量】
SEM图像显示，与在其他SAM上生长的薄膜相比，在NA-Me-4PACz混合SAM上生长的钙钛矿薄膜具有更少的纳米空隙和更均匀的形态。具体来说，NA-MeSAM形成的钙钛矿薄膜具有光滑的表面和致密的晶粒，这表明了高质量的成膜。定量分析显示，与对照相比，NA-MeSAM层中纳米空隙的存在减少高达30%。此外，通过分子杂化增强，整个界面的覆盖一致性提高了15%。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）分析证实NA-Me上的钙钛矿薄膜表现出较高的结晶度，没有择优取向，这有利于有效的载流子传输和提取。
图 2. 钙钛矿基底区域的形态和结构
【降低界面损失】
本节详细介绍了如何通过混合SAM定制接口最大限度地减少能量损失。这是通过改善界面处能级的排列来实现的，从而促进有效的电荷转移并减少复合损失。该方法的有效性通过增强的器件指标（例如开路电压（VOC）和填充因子（FF））进行量化。详细而言，光致发光 (PL) 测量：NA-Me-4PACz 样品表现出延长的 PL 寿命和降低的非辐射复合率。据称，PL 寿命测量结果比基线 Me-4PACz 样品延长了约 30%，表明界面处的非辐射复合减少。紫外光电子能谱（UPS）结果表明，NA-Me-4PACz 的价带偏移减少了高达 0.2 eV，从而提高了载流子提取效率。NA-Me SAMs修饰的NiO/钙钛矿界面具有最小的价带偏移，有利于高效空穴提取并减少能量势垒，从而有助于提高开路电压（VOC）。
图 3. 减少界面能量损失
【器件性能】
作者制作了具有氧化铟锡 (ITO)/NiO/SAMs/FA0.95Cs0.05PbI3/碘化哌嗪 (PI)/[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯 (PC61BM)/巴豆氯碱(BCP)/Ag 结构的倒置 PSC，以评估器件性能。采用NA-Me SAM的PSC 器件表现出最高 26.69% 的峰值功率转换效率 (PCE) 和 1.201 V 的令人印象深刻的 VOC。稳定性测试表明，PSC在环境条件下1太阳光照下运行超过2400小时后，仍保留了96.1%的初始PCE，在湿热条件下运行500小时后，仍保留了97.4%，展现出卓越的耐用性。
图 4. 器件光伏性能
【总结】
NA与Me-4PACz的集成作为NiO/钙钛矿界面上的混合SAM显着提高了倒置PSC的效率和稳定性。这些发现为高性能太阳能电池的开发提供了一条有希望的途径，由于其坚固性和可制造性，该太阳能电池在商业上也是可行的。未来的研究可能集中于进一步优化SAM成分并探索大面积太阳能电池板的可扩展性。
--检测服务--
来源：高分子科学前沿