有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 已達(dá)到 25.7%。因此被認(rèn)為是下一代光伏市場的主導(dǎo)者。迄今為止，已經(jīng)報道了帶隙在 1.2 和 2.3 eV 之間的PSCs。雖然具有窄帶隙值的單結(jié) PSCs 自 2014 年以來受到了廣泛的關(guān)注，然而作為鈣鈦礦材料的一員，寬帶隙鈣鈦礦 (WBG-PVK) 也不容忽視，因?yàn)樗鼘τ诖?lián)太陽能電池很重要。截至目前，鈣鈦礦/鈣鈦礦串聯(lián)的效率已達(dá)到28%。為了提高串聯(lián)電池的效率，必須提高頂部和底部電池的效率。近日，日本國立電氣通信大學(xué)沈青教授 （Qing Shen）和早瀬修二教授 （Shuzi Hayase）團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題目為 “Perovskite Solar Cells Consisting of PTAA Modified with Monomolecular Layer and Application to All-Perovskite Tandem Solar Cells with Efficiency over 25%” 的研究文章，該文章報道了使用一系列具有不同烷基鏈長度的單分子層來修飾PTAA空穴傳輸層，提高了基于PTAA的寬帶隙（1.77eV）鈣鈦礦太陽能電池的效率。同時，相應(yīng)的全鈣鈦礦疊層電池也取得了25.24%的效率。
圖 1. a) 用于表面改性的器件結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)以及單分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b) PTAA 和 4,3BuPACz 之間的化學(xué)相互作用示意圖。c) 在用單分子層修飾的 PTAA 上生長的 WBG 鈣鈦礦的晶粒尺寸分布。d) 在用單分子層修飾的 PTAA 上生長的 WBG 鈣鈦礦的晶格應(yīng)變。e) 在用單分子層修飾的 PTAA 上生長的 WBG 鈣鈦礦的 Urbach 能量。
圖 2.在 PTAA，PTAA/3,3PrPACz，PTAA/4,3BuPACz 和 PTAA/6,3HePACz基底上制造的PSC 的a) PCE 統(tǒng)計分布圖，b) J-V 曲線， c) IPCE 曲線和 d)穩(wěn)態(tài)效率隨時間的變化。e) 在 PTAA 和用4,3BuPACz 改性的 PTAA 上制造的 PSC 在室溫下儲存在充滿氮?dú)獾氖痔紫洌o封裝）中的 N2 穩(wěn)定性。f) 在 PTAA 和用 4,3BuPACz 改性的 PTAA 上制造的未封裝 PSC 的熱穩(wěn)定性，在黑暗中保持在 85 ℃ 的氮?dú)馐痔紫渲小?/span>
圖 3. a) 在 PTAA，PTAA/3,3PrPACz，PTAA/4,3BuPACz 和 PTAA/6,3HePACz基底上制造的PSC 的 VOC 與光強(qiáng)度的關(guān)系，b) TPV 衰減曲線和 c) TPC 衰減曲線。d) 器件的能帶排布示意圖。
圖4 a) 全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的結(jié)構(gòu)。b) 串聯(lián)太陽能電池的 J-V 曲線和c) IPCE 曲線。總之，作者合成了幾種新的單層分子（3,3PrPACz、4,3BuPACz 和 6,3HePACz），并評估了其作為 PTAA 修飾層的效果。結(jié)果表明，具有四個碳作為間隔基團(tuán)的 單層分子給出了最好的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入4,3BuPACz后，鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量（晶粒尺寸和針孔密度）有明顯改善。單層分子的引入減少了器件中的非輻射復(fù)合，降低了鈣鈦礦和 HTL 之間的能帶差距，促進(jìn)了 HTL 的電荷收集。最后，基于4,3BuPACz 修飾的 PSC 實(shí)現(xiàn)了 16.57% 的PCE，同時串聯(lián)太陽能電池的 PCE 為 25.24%。這項(xiàng)工作表明，用 單分子層修飾PTAA 可以提高寬帶隙的 Pb-PSC的效率。相關(guān)論文發(fā)表在 Advanced Functional Materials上，日本國立電氣通信大學(xué)博士生畢歡(ORCID: 0000-0001-7680-9816)為第一作者，早瀬修二教授和沈青教授(ORCID: 0000-0001-8359-3275)為通訊作者。Citation: Bi, H., Fujiwara, Y., Kapil, G., Tavgeniene, D., Zhang, Z., Wang, L., Ding, C., Sahamir, S. R., Baranwal, A. K., Sanehira, Y., Takeshi, K., Shi, G., Bessho, T., Segawa, H., Grigalevicius, S., Shen, Q., Hayase, S., Perovskite Solar Cells Consisting of PTAA Modified with Monomolecular Layer and Application to All-Perovskite Tandem Solar Cells with Efficiency over 25%. Adv. Funct. Mater. 2023, 2300089. https://doi.org/10.1002/adfm.202300089https://doi.org/10.1002/adfm.202300089
