摘要

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）雖然擁有高達(dá) 26% 的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），但其異質(zhì)界面引起的不穩(wěn)定性一直是一個(gè)難題。由于鈣鈦礦的熱膨脹系數(shù)高于 SnO2，鈣鈦礦/SnO2 界面處形成的面內(nèi)拉伸應(yīng)變是導(dǎo)致 PSCs 不穩(wěn)定的原因之一。成均館大學(xué) Nam-Gyu Park 教授團(tuán)隊(duì)在 ACS Energy Letters 上發(fā)表的研究成果，提出了一種通過(guò)界面分子設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)控應(yīng)變的有效方法。他們利用帶有磷酸鹽和胺基團(tuán)的雙功能分子磷酸乙醇胺（PEA）對(duì) SnO2 層進(jìn)行表面修飾，成功地實(shí)現(xiàn)了無(wú)應(yīng)變鈣鈦礦薄膜，并顯著提升了器件的穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊(duì)利用掠入射 X 射線衍射（GIXRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）等手段，對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌和光電性能進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，PEA 修飾有效地釋放了鈣鈦礦/SnO2 界面處的拉伸應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了無(wú)應(yīng)變鈣鈦礦薄膜。基于 PEA 修飾 SnO2 的器件 PCE 從 22.87% 提升至 24.35%，非封裝器件在 1700 小時(shí)后仍能保持 93% 的初始 PCE，展現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

研究背景

PSCs 因其高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)而成為近年來(lái)光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，PSCs 的長(zhǎng)期穩(wěn)定性一直是制約其商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。其中，異質(zhì)界面處的應(yīng)變被認(rèn)為是導(dǎo)致器件性能衰減的重要因素之一。鈣鈦礦材料與電子傳輸層材料（如 SnO2）之間存在較大的熱膨脹系數(shù)差異，在器件工作過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致缺陷形成、離子遷移和界面分離等問(wèn)題，最終影響器件的穩(wěn)定性。

推薦使用設(shè)備

Enlitech QE-R 光伏 / 太陽(yáng)能電池量子效率測(cè)量解決方案

Enlitech REPS  鈣鈦礦與有機(jī)光伏Voc損耗分析系統(tǒng)

研究方法

該研究采用 PEA 分子對(duì) SnO2 層進(jìn)行表面修飾，以調(diào)控鈣鈦礦/SnO2 界面處的應(yīng)變。PEA 分子中的磷酸鹽基團(tuán)可以與 SnO2 表面形成強(qiáng)相互作用，而胺基團(tuán)則可以與鈣鈦礦前驅(qū)體中的有機(jī)陽(yáng)離子相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過(guò)程的調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)利用 GIXRD 技術(shù)分析了鈣鈦礦薄膜的應(yīng)變狀態(tài)，并通過(guò) SEM 觀察了薄膜的形貌。此外，他們還利用 TRPL 光譜研究了器件的載流子動(dòng)力學(xué)。

PSCs 的 EQE 光譜

重要性：上圖展示了 PSCs 的外部量子效率（EQE）光譜，可以用來(lái)評(píng)估器件在不同波長(zhǎng)光照下的光電轉(zhuǎn)換能力。EQE 光譜可以反映出器件的光吸收特性以及載流子分離和收集效率。

研究結(jié)果分析：PEA 修飾后的器件在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)都具有更高的 EQE，這表明 PEA 修飾有效地提升了器件的光電轉(zhuǎn)換能力。這可能是因?yàn)?/span> PEA 修飾改善了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和界面接觸，從而提高了載流子的分離和收集效率。

PSCs 的光強(qiáng)依賴性 J-V 曲線

重要性：上圖展示了 PSCs 在不同光強(qiáng)下的電流密度-電壓（J-V）曲線，可以用來(lái)評(píng)估器件在不同光照條件下的性能。通過(guò)分析 J-V 曲線的變化，可以了解器件的填充因子、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等參數(shù)。

研究結(jié)果分析： PEA 修飾后的器件在不同光強(qiáng)下都表現(xiàn)出更高的填充因子和更低的串聯(lián)電阻，這表明 PEA 修飾有效地改善了器件的電荷傳輸性能。這可能是因?yàn)?/span> PEA 修飾減少了鈣鈦礦/SnO2 界面處的缺陷，從而降低了載流子的復(fù)合損失。

研究結(jié)果與討論

GIXRD 結(jié)果表明，在裸露的 SnO2 層上沉積鈣鈦礦薄膜時(shí)，會(huì)觀察到明顯的拉伸應(yīng)變。而通過(guò) PEA 修飾 SnO2 表面后，拉伸應(yīng)變得到了有效釋放，實(shí)現(xiàn)了無(wú)應(yīng)變鈣鈦礦薄膜。SEM 圖像顯示，PEA 修飾后的 SnO2 表面更加平整，鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸更大，結(jié)晶質(zhì)量更高。TRPL 光譜結(jié)果表明，PEA 修飾有效地抑制了器件的非輻射復(fù)合，延長(zhǎng)了載流子的壽命，從而提高了器件的效率。

基于 PEA 修飾 SnO2 的器件 PCE 從 22.87% 提升至 24.35%，開(kāi)路電壓 (Voc) 達(dá)到 1.19 V，短路電流密度 (Jsc) 為 25.82 mA/cm2，填充因子 (FF) 為 80.76%。此外，非封裝器件在 1700 小時(shí)后仍能保持 93% 的初始 PCE，展現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。相比之下，基于未修飾 SnO2 的器件在相同條件下僅能保持 66% 的初始 PCE。

MPA 和 PEA 修飾 SnO2 的濃度對(duì) PSCs 光伏參數(shù)的影響及其重要性：此圖展示了不同濃度的 MPA 和 PEA 對(duì) PSCs 光伏參數(shù)（Voc, Jsc, FF, PCE）的影響。通過(guò)比較不同濃度的修飾效果，可以找到最佳的修飾濃度，從而獲得最高的器件效率和性能。

研究結(jié)果分析：隨著 MPA 和 PEA 濃度的增加，器件的 PCE 呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這表明適量的 PEA 修飾可以有效提升器件性能，而過(guò)量的修飾則會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。這可能是因?yàn)檫^(guò)量的 PEA 會(huì)在 SnO2 表面形成過(guò)厚的絕緣層，阻礙電荷傳輸。

結(jié)論與展望

該研究通過(guò)利用界面分子 PEA 對(duì) SnO2 層進(jìn)行表面修飾，成功地實(shí)現(xiàn)了無(wú)應(yīng)變鈣鈦礦薄膜，并顯著提升了 PSCs 的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，界面分子設(shè)計(jì)是一種有效調(diào)控異質(zhì)界面應(yīng)變、提升器件性能的策略。這項(xiàng)工作為制備高效穩(wěn)定的 PSCs 提供了新的思路，并為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

原文出處: ACS Energy Lett. 2024

推薦設(shè)備_ QE-R_值得信賴的 QE / IPCE 系統(tǒng)

可靠性和可信賴性

• Enlitech是一家通過(guò)ISO 17025量子效率調(diào)整和檢測(cè)認(rèn)證的量子效率系統(tǒng)制造商。

• 全球已安裝超過(guò)500臺(tái)QE-R量子效率光學(xué)儀。

• QE-R量子效率光學(xué)儀的名字被1,000多篇SCI期刊論文引用。

QE-R量子效率儀的檢測(cè)量子效率結(jié)果被高引用影響因子期刊廣泛采用和。

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