【研究背景】

鈣鈦礦太陽能電池作為新興的光伏轉(zhuǎn)換技術(shù),具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。但是其穩(wěn)定性仍然存在挑戰(zhàn)。相比常規(guī)的n-i-p結(jié)構(gòu)太陽電池,p-i-n幾何結(jié)構(gòu)簡化了制作工藝,更適合安排電荷傳輸層,也降低了工藝溫度。自組裝單層可以增強(qiáng)p-i-n結(jié)構(gòu)電池的轉(zhuǎn)化效率,但超薄的自組裝單層在高溫下可能不穩(wěn)定。目前研究主要聚焦在提升鈣鈦礦材料本身的穩(wěn)定性,對自組裝單層在高溫條件下的降解效應(yīng)關(guān)注還比較少。

【關(guān)鍵問題】

與常規(guī)的聚合物和金屬氧化物空穴傳輸物質(zhì)比,基于自組裝單層的鈣鈦礦太陽能電池?zé)岱€(wěn)定性較差,主要存在以下幾個(gè)問題:

1. 自組裝單層分子與底物之間的化學(xué)鍵合關(guān)系到其熱穩(wěn)定性。高溫可能使錨定基團(tuán)與間隔基團(tuán)中的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂,導(dǎo)致自組裝單層降解;

2. 鈣鈦礦電池中使用的超薄自組裝單層更易在高溫條件下發(fā)生熱解吸,使其有益的性質(zhì)損失,如高空穴選擇性、低界面態(tài)密度等;

3. 熱應(yīng)力影響自組裝單層的形態(tài),使其性能下降。這會(huì)破壞單層分子在基底表面的均勻性與覆蓋密度,進(jìn)而影響電荷提取與整體穩(wěn)定性;

4. 自組裝單層與鈣鈦礦吸收層之間的界面連接關(guān)系到器件的整體熱穩(wěn)定性。界面不牢固將導(dǎo)致高溫性能衰減。

新思路

近日，香港城市大學(xué)朱宗龍和華中科技大學(xué)李忠安研究團(tuán)隊(duì)通過使用熱穩(wěn)定的孔選擇性層（HSL）來改善p-i-n鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的穩(wěn)定性和性能。該HSL由鎳氧化物（NiOx）納米顆粒膜和表面錨定的（4-（3,11-二甲氧基-7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基）丁基）膦酸（MeO-4PADBC）自組裝單分子層（SAM）組成。SAM已被證明可以提高PSCs的性能，但其熱穩(wěn)定性仍然是一個(gè)問題。作者旨在提高在高溫下穩(wěn)定的SAM基PSCs，并研究SAM形成分子的降解效應(yīng)。

技術(shù)路線：

本研究首先比較了在p-i-n鈣鈦礦太陽能電池中,使用MeO-4PADBC自組裝單分子層(SAM)和NiOx/MeO-4PADBC作為孔選擇性層(HSLs)的效果。研究結(jié)果顯示,與僅使用MeO-4PADBC相比,NiOx/MeO-4PADBC具有更好的孔洞提取效果。我們使用傅里葉變換紅外光譜儀對MeO-4PADBC和NiOx/MeO-4PADBC的化學(xué)鍵進(jìn)行了測試,結(jié)果證實(shí)了兩者之間存在化學(xué)鍵的形成。我們還使用紫外光電子能譜儀測試了不同材料與鈣鈦礦吸收劑之間的能級(jí)匹配情況。測試結(jié)果顯示,與ITO/MeO-4PADBC相比,NiOx/MeO-4PADBC與不同鈣鈦礦吸收劑之間具有更好的能級(jí)匹配。時(shí)間分辨光致發(fā)光衰減曲線表明,ITO/NiOx/MeO-4PADBC基板有助于提高孔洞提取效率。綜合來看,NiOx/MeO-4PADBC層改善了孔洞提取效率和能級(jí)匹配,從而提高了鈣鈦礦的結(jié)晶性。

技術(shù)優(yōu)勢：

1. 在制造工藝上,與普通的正置電池相比,倒置結(jié)構(gòu)更易于在大規(guī)模生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。本研究使用了穩(wěn)定的鎳氧化物改性膦酸自組裝單層作為孔選擇層,不僅提高了電池效率,也使得電池更加穩(wěn)定可靠。

2. 在熱穩(wěn)定性方面,傳統(tǒng)的自組裝單層容易在高溫下發(fā)生退化。本研究的膦酸自組裝單層錨定在鎳氧化物納米顆粒上,優(yōu)化了界面偶極矩,實(shí)現(xiàn)了快速的孔提取,界面缺陷密度大大降低。因此,即使在高溫長時(shí)間工作條件下,電池效率依然可以很好地保持。

3. 在轉(zhuǎn)換效率方面,本研究的穩(wěn)定孔選擇層可以顯著提高倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池的功率轉(zhuǎn)換效率,在1.53V工作電壓下,實(shí)現(xiàn)了高達(dá)25.6%的轉(zhuǎn)換效率。

4. 在長期運(yùn)行穩(wěn)定性方面,本研究的電池在90°C條件下連續(xù)工作1200小時(shí)后,效率保持在65%以上,展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性。

研究內(nèi)容

本研究設(shè)計(jì)了一種螺旋形的二苯并[c,g]咔唑(DBC)為核心基元的自組裝單層(SAM)分子MeO-4PADBC,該設(shè)計(jì)在多個(gè)方面優(yōu)化了鈣鈦礦太陽能電池的性能。

首先,DBC基元的加入減輕了MeO取代基對SAM分子偶極矩的負(fù)面影響。之前研究發(fā)現(xiàn),咔唑核心接受MeO取代后會(huì)導(dǎo)致偶極矩下降,從而使SAM分子的HOMO與鈣鈦礦的價(jià)帶最大值存在較大的偏移。本研究新合成的MeO-4PADBC中,DBC基元的加入改善了這一問題,與非MeO取代的4PADBC相比,MeO-4PADBC的偶極矩僅略有下降。

其次,DBC基元的非共面螺旋形結(jié)構(gòu)破壞了SAM分子的平面和對稱性,有利于與鈣鈦礦的接觸。這導(dǎo)致了更好的能級(jí)匹配,更快的孔提取速率,和界面處缺陷密度的降低。

與MeO-4PACz相比,MeO-2PADBC與鈣鈦礦的界面結(jié)合能更高。測量結(jié)果顯示,MeO-4PADBC的總結(jié)合能為-7.19 eV,而MeO-2PACz為-5.27 eV。這說明MeO-4PADBC能與鈣鈦礦形成更強(qiáng)的相互作用。

本研究采用Enlitech公司的產(chǎn)品進(jìn)行測試。

空穴選擇性層應(yīng)用

開爾文探針力顯微鏡(KPFM)、結(jié)合能計(jì)算和加速熱老化實(shí)驗(yàn)共同證明了MeO-4PADBC自組裝單層與NiOx基底之間形成了化學(xué)鍵。

KPFM圖像顯示MeO-4PADBC分子高密度地吸附在ITO和NiOx表面,說明它與這兩個(gè)基底材料都存在結(jié)合。計(jì)算結(jié)果表明,MeO-4PADBC與NiOx的結(jié)合能(-22.4 eV)高于與ITO的結(jié)合能(-16.7 eV),因此與NiOx的化學(xué)結(jié)合更牢固。加速熱老化實(shí)驗(yàn)中,NiOx/MeO-4PADBC基底的表面電位穩(wěn)定,而ITO/MeO-4PADBC基底的表面電位波動(dòng),進(jìn)一步驗(yàn)證了NiOx/MeO-4PADBC鍵合的穩(wěn)定性。

另外,在2PACz的咔唑環(huán)上引入OMe基團(tuán),會(huì)導(dǎo)致自組裝單層的偶極矩減小。這是因?yàn)楦叨裙裁婊倪沁颦h(huán)結(jié)構(gòu)加劇了OMe基團(tuán)對偶極矩的負(fù)面影響。偶極矩減小改變了自組裝單層與鈣鈦礦之間的相互作用,導(dǎo)致系統(tǒng)能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而使功函數(shù)上移。

綜上所述,多種實(shí)驗(yàn)手段共同證實(shí)了MeO-4PADBC與NiOx之間存在穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)合。引入OMe基團(tuán)會(huì)減小自組裝單層的偶極矩,改變其與鈣鈦礦的相互作用。

太陽能電池性能和表征

采用NiOx/MeO-4PADBC作為孔選擇層的鈣鈦礦太陽能電池顯示出優(yōu)異的光伏性能。在0.0414 cm2的有效面積下,電池效率達(dá)到高達(dá)25.6%。這一策略對不同帶隙的鈣鈦礦吸收體都奏效。帶隙分別為1.53 eV、1.68 eV 和 1.80 eV的電池,其效率分別達(dá)到25.6%、22.7% 和 20.1%。穩(wěn)態(tài)功率輸出結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這些器件的高效可靠性。

NiOx/MeO-4PADBC界面處的缺陷密度較低,有助于提升光伏性能。準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂和開路電壓值的一致性表明,空穴選擇層使整個(gè)器件在空間上能級(jí)連續(xù),提取效率高。1.53 eV的器件開路電壓達(dá)到理論值的95%,說明NiOx/MeO-4PADBC層有效減少了界面電壓損失,實(shí)現(xiàn)了載流子的高效提取。

綜上所述,NiOx/MeO-4PADBC作為孔選擇層,使不同帶隙的鈣鈦礦太陽能電池都實(shí)現(xiàn)了較高的光電轉(zhuǎn)換效率。接口質(zhì)量的優(yōu)化是其工作機(jī)制的關(guān)鍵。

圖2 不同HSL的PSC的光伏性能

PSC穩(wěn)定性研究

研究人員采用開爾文探針力顯微鏡測試了自組裝單層MeO-4PADBC在加熱條件下與ITO和NiOx基底的相互作用。接觸電位分布的變化表明,NiOx/MeO-4PADBC的界面結(jié)合力優(yōu)于ITO/MeO-4PADBC。

密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),在室溫下MeO-4PADBC與NiOx的結(jié)合能為-22.4eV,高于與ITO的結(jié)合能(-16.7eV)。當(dāng)溫度升高到340K時(shí),MeO-4PADBC與ITO的結(jié)合能大幅減小至-11.6eV,但與NiOx的結(jié)合能變化較小(-20.3eV),保持了較高的穩(wěn)定性。

加速熱老化實(shí)驗(yàn)中,基于NiOx/MeO-4PADBC的電池在65°C下運(yùn)行1200小時(shí)后,效率保持在90%。而基于MeO-4PADBC的電池效率只保持了65%。

NiOx/MeO-4PADBC電池的激活能約為0.389eV,比MeO-4PADBC電池的0.150eV高近一倍,表明NiOx/MeO-4PADBC的熱穩(wěn)定性更優(yōu)。

圖3 PSCs降解機(jī)制分析

圖4不同溫度下PSC的長期穩(wěn)定性評估。

總結(jié)展望

綜上所述,香港城市大學(xué)朱宗龍團(tuán)隊(duì)和華中科技大學(xué)李忠安團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并證明了一種高效穩(wěn)定的孔選擇層材料MeO-4PADBC。該材料的熱穩(wěn)定性得到大幅提高,非常適合用于倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池。MeO-4PADBC的分子結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化,使其具有適中的偶極矩和與鈣鈦礦的良好接觸,從而實(shí)現(xiàn)了理想的能級(jí)匹配和快速的孔提取,增強(qiáng)了器件的效率和穩(wěn)定性。此外,MeO-4PADBC錨定在NiOx上的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了化學(xué)鍵結(jié)合,有效減少了界面電壓損失,提高了熱穩(wěn)定性。本研究為設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定孔選擇層材料提供了理論指導(dǎo),并為鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。