特別說明：本文由學研匯技術 中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
研究背景
小面積n-i-p結(jié)構(gòu)單結(jié)鈣鈦礦太陽電池的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)已達到單晶硅太陽電池的水平(>25%)。然而，由于p-i-n結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的PCE較低，并且將小電池轉(zhuǎn)移到組件后損失較大，這主要是由鈣鈦礦或電荷傳輸層的不均勻性引起的，因此認證的鈣鈦礦組件PCE仍然很低。改進結(jié)晶工藝和鈍化表面缺陷等策略已被應用于進一步提高p-i-n結(jié)構(gòu)器件的效率。
關鍵問題
然而，p-i-n結(jié)構(gòu)器件性能的提升仍存在以下問題：鈣鈦礦-空穴-傳輸層(HTL)界面受到的關注較少，埋藏界面缺陷引起的界面載流子的非輻射復合可能會限制p-i-n結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的效率，鈣鈦礦在HTLs附近的光致發(fā)光(PL)量子產(chǎn)率明顯較小。鑒于許多鈍化分子在鈣鈦礦前體溶劑中的高溶解度，如2-甲氧基乙醇（2-ME）、二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO），因此在鈣鈦礦涂覆過程中可能會被沖走。在鈣鈦礦薄膜形成過程中以及設備長期運行過程中，晶界的底部界面會形成空洞，表明存在不可忽略的非晶態(tài)鈣鈦礦，可能導致器件性能不均勻，從而強烈影響組件效率和再現(xiàn)性。
新思路
有鑒于此，北卡羅來納大學黃勁松等人報道了在HTL中添加鉛螯合分子可以與鉛離子（II）（Pb2+）強烈相互作用，導致HTL附近鈣鈦礦中的非晶區(qū)減少，鈣鈦礦底表面鈍化?？讖矫娣e為26.9cm2的最小模塊的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）為21.8%（穩(wěn)定在21.1%），經(jīng)國家可再生能源實驗室（NREL）認證，這相當于整個組件面積的最小小電池效率為24.6%(穩(wěn)定在24.1%)。在1太陽光照和開路電壓條件下，HTL中具有鉛螯合分子的小面積電池和大面積微模塊的光吸收穩(wěn)定性分別為3010和2130小時，效率損失為初始值的10%。
通過將鈍化物種摻入HTL來鈍化底部鈣鈦礦HTL界面，通過XRD、FTIR、XPS以及理論計算多種手段揭示BCP與Pb2+的強相互作用。作者LCM引入到PTAA層中，解析了混合在PTAA中的LCM如何影響鈣鈦礦HTL界面，證實了 BCP 對鈣鈦礦的鈍化作用。作者證實了PTAA 中的BCP減少了捕獲的DMSO的量，導致鈣鈦礦的無定形程度降低，減少了有缺陷的非晶鈣鈦礦，從而提高了器件效率和穩(wěn)定性。作者制造了太陽能電池并評估了其性能，結(jié)果表明，BCP優(yōu)化了太陽能電池的性能并提高了器件的穩(wěn)定性。作者將小面積器件升級為孔徑面積為微型模塊，表明鈣鈦礦微型模塊的認證PCE達到 21.8%，平均T90壽命達到~2130小時。1、開發(fā)了減少鈣鈦礦薄膜底部非晶區(qū)的有效方法作者開發(fā)了一種通過將鉛螯合分子（LCMs）嵌入HTL中來有效減少鈣鈦礦膜底部非晶區(qū)的方法，通過強螯合作用與鉛離子相互作用，這減少了DMSO殘基，從而減少了鈣鈦礦中HTL附近的無定形區(qū)域。2、獲得了高PCE、重復性好、穩(wěn)定性強的鈣鈦礦電池作者利用BCP鈍化了鈣鈦礦，提高了鈣鈦礦電池和微模塊的PCE、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性?？讖矫娣e為26.9cm2的最小模塊的PCE為21.8%，穩(wěn)定性可達3000小時。
技術細節(jié)
通過將鈍化物種摻入HTL來鈍化底部鈣鈦礦HTL界面。使用LCMs提供兩個或更多個孤對電子與鈣鈦礦表面的Pb2+螯合，導致Pb2+在加入鈣鈦礦前體溶液后沉淀。XRD揭示BCP與Pb2+的相互作用強于DMSO與Pb2+的相互作用。FTIR和XPS同樣也證明了BCP 的兩個吡啶基團中的N原子與Pb2+相互作用。與單一的吡啶基團相比，螯合效應提供了與鈣鈦礦更強大的相互作用。
作者LCM引入到聚[雙(4 苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)層中，進行了穩(wěn)態(tài)PL和PL壽命測量以解析混合在PTAA中的LCM如何影響鈣鈦礦HTL界面。結(jié)果表明，BCP顯著將穩(wěn)態(tài)PL強度提高了1.7倍，鈣鈦礦薄膜底部的PL壽命也從195納秒增加到452納秒。在 PTAA 中預嵌入BCP減少了鈣鈦礦底部界面的非輻射復合缺陷。在鈣鈦礦頂部旋轉(zhuǎn)了一個 BCP 層，以排除鈣鈦礦結(jié)晶度的影響，通過測量光從空氣側(cè)入射時的PL光譜和PL壽命變化，證實了 BCP 對鈣鈦礦的鈍化作用。此外，作者還通過FLIM評估了鈍化鈣鈦礦-HTL界面的均勻性，DFT計算進一步比較了BCP和DMSO的鈍化效果。
為了找出通過將BCP引入PTAA減少了哪些缺陷，使用熱導納光譜和驅(qū)動級電容曲線 (DLCP) 測量了器件的陷阱密度變化。結(jié)果表明帶負電荷的碘間隙 (Ii– )密度在鈣鈦礦中沒有表現(xiàn)出明顯的變化，而帶正電荷的碘間隙(Ii+)的密度通過將BCP引入PTAA而降低。進一步研究結(jié)果表明PTAA 中的BCP減少了捕獲的DMSO的量，導致鈣鈦礦的無定形程度降低。BCP減少了有缺陷的非晶鈣鈦礦，從而提高了器件效率和穩(wěn)定性。
作者制造了ITO/HTL/鈣鈦礦/C60/BCP/ Cu太陽能電池以評估 LCM 如何影響鈣鈦礦太陽能電池的性能。結(jié)果表明，將 LCM 結(jié)合到HTL中或HTL上，在加速光致退化測試期間提高了所有設備的穩(wěn)定性。BCP和TSA產(chǎn)生了更高的 PCE，并改善了開路電壓 (VOC) 和填充因子(FF)。利用BCP進一步優(yōu)化了PCE，具有最佳 BCP 的設備顯示JSC為25.5 mA cm-2，VOC為1.17 V，F(xiàn)F為0.825，PCE為 24.6%。此外，PTAA中預嵌的BCP也大大提高了器件的穩(wěn)定性。
作者將0.08 cm2的小面積器件升級為孔徑面積為20至30 cm2的微型模塊，BCP的添加增強了微型模塊的FF和VOC。幾個微型模塊被送到國家可再生能源實驗室(NREL)進行 PCE 認證。鈣鈦礦微型模塊的認證冠軍孔徑PCE達到 21.8%，J-V掃描的孔徑面積為26.9 cm2，穩(wěn)定功率輸出測量方法給出了 21.1% 的穩(wěn)定PCE。穩(wěn)定性測試表明具有BCP的微型模塊的平均T90壽命達到~2130小時。
展望
總之，作者在PTAA HTL中引入LCM提高了p-i-n結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的效率、穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。由于BCP中的菲咯啉基團與Pb2+之間的強相互作用以及BCP?PbI2在2-ME中的低溶解度，BCP在溶液涂覆過程中停留在鈣鈦礦層的底部。隨著鈣鈦礦層底部陷阱密度的降低和PTAA-鈣鈦礦界面電荷復合的減少，具有BCP的器件的平均PCE增加到24.1%。在PTAA層中具有BCP時，鈣鈦礦層中的非晶層和DMSO殘留物減少，導致在光均熱過程中晶界周圍的空隙形成減少。PTAA中的BCP還將T90的壽命從約1890小時增加到約3010小時?？讖矫娣e為26.9 cm2的冠軍微型模塊顯示出21.8%的認證PCE（穩(wěn)定在21.1%）。CHENGBIN FEI, et al. Lead-chelating hole-transport layers for efficient and stable perovskite minimodules. Science, 2023, 380(6647):823-829.DOI:10.1126/science.ade9463https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9463
