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中科院寧波材料所葛子義團隊倒置PSCs 25.15%效率

發(fā)表時間:2024/5/28 13:56:19

摘要

鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 因其高效率、低成本和可印刷性等優(yōu)點,成為最有希望取代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的下一代光伏技術(shù)。近年來,鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)的效率不斷攀升,已突破 25% 的瓶頸,但其長期穩(wěn)定性問題仍然是阻礙其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

為了解決這一挑戰(zhàn),中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的 Ziyi Ge Daobin Yang 研究團隊設(shè)計合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生自組裝單層 (SAMs)IDCz-1、IDCz-2 IDCz-3,并將其用于制備倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)。通過調(diào)節(jié) IDCz 單位的兩個氮原子位置,有效地提高了分子偶極矩,并增強了 π-π 相互作用。研究人員發(fā)現(xiàn),使用 IDCz-3 作為空穴收集層的倒置 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)表現(xiàn)出最佳的性能,其 PCE 達到了 25.15%,創(chuàng)下了多足 SAMs PSCs 的新紀錄,并且未封裝的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小時,性能幾乎沒有下降,展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

本研究使用設(shè)備
QE-R PV/
太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)

研究背景與核心概念

倒置 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)由于其結(jié)構(gòu)簡單、制備工藝易于控制等優(yōu)點,成為目前 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  研究領(lǐng)域的熱點。在倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  中,空穴傳輸層 (HTL) 與鈣鈦礦薄膜的界面起著至關(guān)重要的作用,它決定了器件的效率和穩(wěn)定性。自組裝單層 (SAMs) 作為一種有效的界面修飾材料,近年來在 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,它可以有效地鈍化界面缺陷,降低電荷復(fù)合,并改善載流子傳輸性能。

然而,現(xiàn)有的 SAMs 通常面臨著一些挑戰(zhàn),例如無法有效改善埋藏界面缺陷、穩(wěn)定性不足等問題。為了進一步提升 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  的效率和穩(wěn)定性,需要開發(fā)新型的 SAMs 材料,并深入研究其作用機制。

研究方法與主要發(fā)現(xiàn)

該研究團隊設(shè)計合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生 SAMsIDCz-1、IDCz-2 IDCz-3。這三種分子通過調(diào)節(jié) IDCz 單位的兩個氮原子位置,有效地提高了分子偶極矩,并增強了 π-π 相互作用。

研究人員發(fā)現(xiàn),通過控制分子偶極矩和能級,可以改變 FTO 電極的功函數(shù) (WF),從而調(diào)節(jié)鈣鈦礦的能帶彎曲,促進空穴提取和阻擋電子。其中,使用 IDCz-3 作為空穴收集層的倒置 PSCs 表現(xiàn)出最佳的性能。

研究結(jié)果與討論
研究人員通過一系列表征手段,包括 UV-Vis、XPS、KPFM、SCLC 等,對 IDCz-3 的性能進行了分析。結(jié)果表明:

提高鈣鈦礦薄膜質(zhì)量: IDCz-3 可以有效地提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量,降低其表面粗糙度,從而減少缺陷。

降低缺陷密度: IDCz-3 可以有效地鈍化鈣鈦礦薄膜中的缺陷,包括晶界處和表面處的缺陷,從而降低缺陷密度。

促進電荷傳輸: IDCz-3 可以有效地降低鈣鈦礦/HTL 界面的能壘,促進空穴提取,提高器件的短路電流密度 (Jsc) 和填充因子 (FF)

抑制非輻射復(fù)合: IDCz-3 可以有效地抑制非輻射復(fù)合,提高器件的開路電壓 (Voc) 和效率。

基于 IDCz-3 的倒置 PSCs PCE 達到 25.15%,創(chuàng)下了多足 SAMs PSCs 的新紀錄。此外,未封裝的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小時,性能幾乎沒有下降,展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。


結(jié)論與展望

該研究開發(fā)的具有更大偶極矩的雙膦酸錨定自組裝分子,有效提升了鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  的效率和穩(wěn)定性,為鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新的方向。

未來,可以通過進一步優(yōu)化 SAMs 的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),例如:

合成具有更強偶極矩的分子。

優(yōu)化 SAMs 的分子排列方式,以提高其鈍化效果。

SAMs 與其他界面工程策略結(jié)合,進一步提升 PSCs 的性能。

相信隨著研究的深入,鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  的性能將會進一步提升,并最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻力量。。


本文參數(shù)圖:


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Fig S19_ J-V曲線圖,分別代表基于IDCz-1、IDCz-2和IDCz-3的PSCs 。都顯示了正向(Forward)和反向(Reverse)掃描的電流密度(單位為安培每平方厘米)隨電壓(單位為伏特)變化的曲線。
           ·  IDCz-1:正向和反向掃描曲線非常接近,表明器件性能穩(wěn)定。

·  IDCz-2:同樣顯示出正向和反向掃描曲線重合,穩(wěn)定性好。

·  IDCz-3:曲線與前兩者相似,也顯示出良好的重合性。

·  所有曲線在接近1.2V時電流密度迅速下降,這可能是由于達到了器件的最大功率點。曲線的形狀和穩(wěn)定性對于評估太陽能電池的性能非常重要。



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原文出處: Advanced Materials


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