特別說明:本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫,旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限,難免有所疏漏和錯(cuò)誤,請讀者批判性閱讀,也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨追光者(米測 技術(shù)中心)
研究背景
鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)作為一種潛在的替代能源技術(shù),引起了廣泛的關(guān)注。PSCs具有高吸收率、低成本和易于制備等優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用中,其功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)和穩(wěn)定性問題一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。在PSCs中,pin(倒置結(jié)構(gòu))的反轉(zhuǎn)型鈣鈦礦太陽能電池在工作穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢,但其PCE卻相對較低。主要問題在于界面處的能量損失,尤其是鈣鈦礦與電荷傳輸層之間的界面,導(dǎo)致PCE的下降。這些能量損失主要由于帶間對齊不良和能級固定所致,而這些問題又受到表面缺陷的加劇。此前的研究表明,表面鈍化可以有效地抑制界面非輻射復(fù)合,從而提高PSCs的性能和穩(wěn)定性。然而,目前常用的表面處理方法存在著一些問題,比如使用單一活性結(jié)合位的添加劑和表面處理劑可能導(dǎo)致過密的表面覆蓋,引入電阻性屏障,限制電荷傳輸效率。為了解決這些問題,美國西北大學(xué)/加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent院士、美國西北大學(xué)Bin Chen和上海科技大學(xué)寧志軍等人攜手提出了一種新的表面處理策略,即使用結(jié)合到鈣鈦礦表面上兩個(gè)相鄰Pb2+缺陷位的配體。這種配體以平面排列方式結(jié)合,使得其在表面上的覆蓋更為均勻,減少了電阻性屏障的形成,從而改善了電荷傳輸效率。以上成果在“Science”期刊上發(fā)表了題為“Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands”的論文。本研究成功地應(yīng)用了這種新型表面處理策略于倒置結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池中,并取得了顯著的成果。我們報(bào)告了該電池在不同照射面積下的認(rèn)證PCE,分別為26.15%和24.74%,并且在連續(xù)1200小時(shí)的1太陽最大功率點(diǎn)操作后,其穩(wěn)定性仍能保持95%的初始PCE。
圖文解讀
為了研究配體在鈣鈦礦太陽能電池中的吸附行為以及對界面性能的影響,研究者進(jìn)行了圖1的理論計(jì)算。首先,研究者考慮了三種不同結(jié)構(gòu)的配體,并通過密度泛函理論(DFT)計(jì)算了它們在鈣鈦礦表面的吸附能力。結(jié)果顯示,苯磺酸鹽(BZS)和4-甲基苯磺酸鹽(4CH3-BZS)傾向于以垂直方式吸附到表面,而4-氯苯磺酸鹽(4Cl-BZS)則更傾向于以平行方式吸附。進(jìn)一步分析表明,4Cl-BZS的吸附能力最強(qiáng),對C60電子傳輸層的吸附效果最佳。垂直吸附的配體可能導(dǎo)致電子傳輸?shù)淖璧K,而平行吸附的配體則可以增強(qiáng)界面的機(jī)械強(qiáng)度,并且更有利于電子傳輸。因此,通過合理設(shè)計(jì)配體的結(jié)構(gòu)和取向,可以優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的界面性能,提高其光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。 圖1、關(guān)于配體成鍵和取向的DFT研究。圖2中,他們使用時(shí)間飛行二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)對未經(jīng)處理和經(jīng)過處理的鈣鈦礦薄膜進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示,苯磺酸鹽(BZS)、4-甲基苯磺酸鹽(4CH3-BZS)和4-氯苯磺酸鹽(4Cl-BZS)均富集在鈣鈦礦薄膜的頂部表面附近。通過X射線衍射(XRD)圖譜,他們發(fā)現(xiàn)處理后的鈣鈦礦薄膜沒有明顯的峰移,表明配體在晶膜結(jié)晶過程中未進(jìn)入晶格,而是朝向頂部表面擴(kuò)散。此外,他們使用X射線光電子能譜(XPS)觀察到Pb 4f XPS峰向低能移動,并從XPS和核磁共振光譜中發(fā)現(xiàn)了配體與鈣鈦礦之間的相互作用跡象。這些結(jié)果表明,配體成功地與鈣鈦礦表面發(fā)生了相互作用,并改善了鈣鈦礦的表面性質(zhì)。 隨后,研究者對配體處理后的鈣鈦礦薄膜和器件堆棧進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換性能的評估。他們觀察到,經(jīng)過處理的薄膜和完整的器件堆棧的光致發(fā)光(PL)量子效率(PLQY)均有所提高,表明配體的添加改善了鈣鈦礦的發(fā)光效率。特別是,經(jīng)過4Cl-BZS處理的完整器件堆棧的PLQY增加了兩倍,而且與控制組相比,對應(yīng)于預(yù)期的較高的準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂(QFLS)。此外,時(shí)間分辨光致發(fā)光(TRPL)顯示,處理后的薄膜的載流子壽命也有所增加,進(jìn)一步表明配體的添加改善了鈣鈦礦的載流子動力學(xué)性能。通過對鈣鈦礦/電子傳輸層(ETL)堆棧的瞬態(tài)光電流測量,研究者發(fā)現(xiàn),配體處理后的完整器件堆棧顯示出更高的光電流衰減速度,表明電子提取更加高效。這些結(jié)果表明,配體的添加不僅改善了鈣鈦礦的發(fā)光性能,還提高了器件的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。最后,研究者使用4Cl-BZS處理的鈣鈦礦制備了倒置式鈣鈦礦太陽能電池,并對其光伏性能和穩(wěn)定性進(jìn)行了評估。結(jié)果顯示,與控制組相比,4Cl-BZS處理的器件表現(xiàn)出更高的光電轉(zhuǎn)換效率和更高的填充因子,從而顯著提高了器件的性能。此外,通過對經(jīng)過處理的器件進(jìn)行熱穩(wěn)定性測試和長期光照穩(wěn)定性測試,研究者證明了4Cl-BZS處理的器件在不同環(huán)境條件下都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。這些結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化倒置式鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩(wěn)定性提供了重要的參考。 圖3. 反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏器件的效率和穩(wěn)定性表征。
總結(jié)展望
這項(xiàng)研究通過引入具有平行排列傾向的配體來改善鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的性能。相比于傳統(tǒng)垂直排列的配體,這種平行排列的配體可以減少鈣鈦礦-C60界面的電阻,并降低表面缺陷密度,從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。特別是,研究人員成功地利用4氯苯磺酸鹽(4Cl-BZS)與鈣鈦礦表面的Pb2+離子發(fā)生相互作用,有效地提高了倒置結(jié)構(gòu)PSC的性能,使其接近了nip結(jié)構(gòu)的水平。此外,該方法還展現(xiàn)出了對多種鈣鈦礦組成的適用性,為全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的研發(fā)提供了新的思路。這一研究揭示了通過合理設(shè)計(jì)和引入配體來優(yōu)化界面結(jié)構(gòu),可以改善PSC的性能和穩(wěn)定性,為未來高效穩(wěn)定的太陽能電池技術(shù)提供了重要的科學(xué)參考。 Hao Chen et al. ,Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands.Science384,189-193(2024).DOI:10.1126/science.adm9474