前言

近年來，鈣鈦礦和有機太陽能電池（PSCs和OSCs）因其高效率和低成本的潛力而備受關(guān)注。然而，界面缺陷和非理想的能級排列等問題仍然限制著器件性能的進(jìn)一步提升。

香港理工大學(xué)李剛團隊在《Nature Communications》(1 Sep. doi.org:10.1038/s41467-024-51760-5)上發(fā)表了一項研究成果，他們利用界面工程技術(shù)，通過共吸附自組裝單分子層（SAMs）成功提升了太陽能電池的性能。該團隊采用PyCA-3F和2PACz分子進(jìn)行共吸附，形成了一層功能化的超薄層，有效減少了SAMs的自聚集現(xiàn)象，并改善了界面特性。這種方法不僅提高了鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)晶度，還降低了陷阱態(tài)密度，增強了空穴的提取和傳輸能力，最終使光電轉(zhuǎn)換效率（PCEs）突破了25%。此外，采用CA策略的器件也實現(xiàn)了19.51%的PCE。

導(dǎo)讀目錄：

·         前言

·         研究方法

·         表面形貌與結(jié)構(gòu)分析

·         光電性能與界面特性分析

·         結(jié)論

研究方法：

通過調(diào)整鈣鈦礦和有機太陽能電池活性層材料的比例，優(yōu)化器件性能。例如，鈣鈦礦電池使用CsI、MACl、FAI、PbI2和MAPbBr3調(diào)配1.6 M溶液；有機電池使用PM1:PTQ10混合物并添加1-氯萘優(yōu)化形貌。

表面形貌與結(jié)構(gòu)分析：

• 表面形貌分析：使用原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡能譜（SEM-EDX）來觀察和分析ITO、2PACz和2PACz+PyCA-3F表面的形貌和元素分布。
       
       

• 結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析：利用X射線繞射（XRD）研究鈣鈦礦薄膜在不同基底上的生長結(jié)構(gòu)。

• 紅外光譜學(xué)（AFM-IR）：分析2PACz分子在ITO表面的分布和組成異質(zhì)性，特別是通過識別1460 cm^-1特征峰來研究2PACz的聚集行為。
       

• 掃描電子顯微鏡-能量色散X射線分析（SEM-EDX）：用于分析ITO、2PACz和CA樣品的微觀結(jié)構(gòu)和元素組成，以評估這些材料的質(zhì)量和均勻性。

光電性能與界面特性分析：

• 光伏參數(shù)測量：包括開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）、最大功率（Pm）和能量轉(zhuǎn)換效率（Er）。這些參數(shù)提供了關(guān)于太陽能電池在特定條件下的性能信息，研究人員使用SourceMeter測量太陽能電池的電流-電壓（J-V）曲線，測量在手套箱中進(jìn)行，使用的是Enlitech的太陽能模擬器SS-F7-3A，模擬AM 1.5 G的標(biāo)準(zhǔn)光照條件（100      mW cm^-2）。

     
       
       
       
       
       
       

• 光電轉(zhuǎn)換效率測試：在不同光照條件下測量太陽能電池的性能，包括光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）、電流密度（Jsc）、電壓（Voc）和填充因子（FF）。
       

  
       外量子效率（EQE）的測量則使用Enlitech Co., Ltd.的太陽能電池光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)QE-R3011進(jìn)行，并在交流模式下進(jìn)行測量。光強度在每個波長下都使用標(biāo)準(zhǔn)單晶硅光伏電池進(jìn)行校準(zhǔn)。這些設(shè)備和測量方法確保了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，從而能夠精確評估太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和其他關(guān)鍵性能參數(shù)。

     
       
       
       
       
       

• 界面能級分析：計算費米能級、勢能和功函數(shù)，了解界面特性。

• 時間分辨光致發(fā)光（TRPL）：測量發(fā)光壽命，評估激子、載流子動態(tài)。

• 空間電荷限制電流（SCLC）：計算陷阱密度，評估缺陷和載流子傳輸。

• Kelvin探針力顯微鏡（KPFM）：測量表面電位分布，了解其對電池性能的影響。

• X射線光電子能譜（XPS）：分析表面化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu)，了解元素分布受2PACz和PyCA-3F的影響。

結(jié)論

共吸附策略（CA）修飾自組裝單層（SAM）基空穴傳輸層（HTL），可顯著提升鈣鈦礦／有機太陽能電池的穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。PyCA-3F與2PACz共吸附形成平滑表面，優(yōu)化能帶排列，降低界面能量勢壘，平整鈣鈦礦埋藏界面，增強異質(zhì)界面能量，減少缺陷，最終提高器件效率和穩(wěn)定性。此研究為高效溶液加工光伏器件的發(fā)展提供了簡單、合理、有效的SAM基HTL層改性方法。

• 共吸附SAM形成更平滑均勻的表面，減少2PACz分子聚集，改善界面特性。  

• 減少界面陷阱和非輻射中心，提升器件穩(wěn)定性。

• 使用CA作為陽極修飾層，可獲得與PEDOT相當(dāng)甚至更高的FF和Jsc。

• CA基太陽能電池表現(xiàn)出優(yōu)異的運行穩(wěn)定性：

• 1000小時跟蹤測試保持80%的初始效率。

2000小時跟蹤測試保持60%的初始效率。

文獻(xiàn)參考自Nature Communications 1 Sep._DOI：10.1038/s41467-024-51760-5

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