前言
隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源需求的日益增長，提高太陽能電池的效率和穩(wěn)定性成為當前科研領(lǐng)域的重要課題。Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池因其潛在的高效率和低成本制造而備受關(guān)注。然而，這些器件的性能往往受到材料結(jié)晶質(zhì)量和界面特性的限制。
中科院黃維院士與西北工業(yè)冉晨鑫團隊在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202404185）中，提出了一種全新的分子錨定策略，旨在提升Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的性能。研究團隊開發(fā)了L-丙氨酸甲酯作為錨定添加劑，用以誘導(dǎo)垂直晶體生長，并介紹了PEA2PbI3SCN薄膜在促進埋藏界面均勻結(jié)晶中的作用。此外，乙二胺二鹵化物（EDA(I/Cl)2）的后處理有助于調(diào)整薄膜表面的能級對齊。這些創(chuàng)新的方法共同作用下，使得Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達到了22.3%，填充因子（FF）高達82.14%。在串聯(lián)器件中，結(jié)合1.78 eV寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池，實現(xiàn)了27.1%的PCE。
導(dǎo)讀目錄
前言
研究目的
研究方法
器件與表征
結(jié)論
研究目的
引導(dǎo)晶體垂直生長，優(yōu)化載流子傳輸：利用分子錨定劑引導(dǎo)晶體垂直生長，促進結(jié)晶均勻性，減少缺陷，優(yōu)化載流子傳輸和收集。
構(gòu)建高質(zhì)量埋藏界面，改善界面接觸：構(gòu)建高質(zhì)量的埋藏界面，促進界面處晶體均勻結(jié)晶，減少缺陷密度，改善界面接觸。
調(diào)整薄膜表面能級排列，提升電荷提取效率：通過后處理調(diào)整薄膜表面能級排列，進一步提升電荷提取效率，降低界面電荷復(fù)合。
探究分子錨定策略對電池穩(wěn)定性和壽命的影響
研究方法
材料制備：研究團隊首先制備了各種前驅(qū)體溶液，包括Pb-Sn鈣鈦礦、PEA2PbI3SCN和EDA(I/Cl)2等，并詳細記錄了制備過程。
薄膜沉積：團隊使用旋涂法沉積鈣鈦礦薄膜，并通過熱退火和使用抗溶劑來控制結(jié)晶過程。
圖S19：基于三種不同薄膜的太陽能電池的PCE（能量轉(zhuǎn)換效率）、FF（填充因子）、Voc（開路電壓）和Jsc（短路電流密度）的分布統(tǒng)計，表明薄膜C的器件性能最佳。
器件制造：研究人員制作了完整的太陽能電池器件，包括ITO玻璃、PEDOT、鈣鈦礦活性層、PCBM、BCP和Ag電極等。
器件與表征
材料和器件表征：研究團隊使用了多種表征技術(shù)來分析鈣鈦礦薄膜和器件的特性，包括：
動態(tài)光散射（DLS）：用來測量粒徑分布。
傅里葉變換紅外光譜（FTIR）：分析化學組成和鍵合情況。
掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）：觀察薄膜的表面形貌和結(jié)構(gòu)。
X射線衍射（XRD）和掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）：分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和取向。
紫外-可見光譜（UV-Vis）：測量薄膜的光學性質(zhì)。
光致發(fā)光譜（PL）和時間分辨光致發(fā)光譜（TRPL）：研究薄膜的發(fā)光特性和載流子動力學。
紫外光電子能譜（UPS）：分析薄膜的能級結(jié)構(gòu)。
飛行時間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）：研究薄膜的元素分布。
器件性能測試：團隊在N2氣氛中使用Keithley 2400源表和太陽光模擬器測試了太陽能電池的性能，包括I-V特性和最大功率點追蹤。
電化學阻抗譜（EIS）和外量子效率（EQE）測量：
電流-電壓（J-V）特性測量： 使用 Enlitech 太陽光模擬器模擬太陽光照，測量太陽能電池的 J-V 特性曲線，計算開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）和能量轉(zhuǎn)換效率（η）等關(guān)鍵性能參數(shù)。
外部量子效率（EQE）測量： 使用量子效率測量系統(tǒng)或 Enlitech QTEST HIFINITY 5 外部量子效率測量系統(tǒng)，評估太陽能電池在不同波長下的光電轉(zhuǎn)換效率。
圖S21：在有無AME兩種不同條件下，基于薄膜C的太陽能電池的PCE、FF、Voc和Jsc的分布統(tǒng)計。結(jié)果顯示，不含AME的器件性能遠低于含有AME的器件，證明了AME和PEA2PbI3SCN薄膜的協(xié)同作用對于調(diào)控結(jié)晶過程和提高器件性能至關(guān)重要。
圖S22：不同I/Cl比例的EDA(I/Cl)2處理后的太陽能電池的PCE、FF、Voc和Jsc的分布統(tǒng)計結(jié)果。通過比較器件性能，研究人員發(fā)現(xiàn)I和Cl的最佳比例為1.2:1，此時器件性能最佳。
電致發(fā)光（EL）測量： 使用電致發(fā)光測量系統(tǒng)分析太陽能電池中的電荷復(fù)合和缺陷分布。
穩(wěn)定性測試：在N2氣氛中進行，以評估太陽能電池的長期穩(wěn)定性。
結(jié)論
這項研究成功展示了利用分子錨定策略構(gòu)建具有垂直均勻結(jié)晶和優(yōu)化界面的 Pb-Sn 鈣鈦礦薄膜，有效提升了太陽能電池的性能。通過使用 L-丙氨酸甲酯、PEA2PbI3SCN 薄膜和乙二胺二鹵化物后處理，制備出的 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池達到了 22.3% 的高功率轉(zhuǎn)換效率和 82.14% 的填充因子，并在四端全鈣鈦礦串聯(lián)器件中實現(xiàn)了 27.1% 的功率轉(zhuǎn)換效率。這項研究證實了分子錨定策略在提升 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池及其串聯(lián)器件性能方面的有效性，為未來高效率鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展提供了新的方向。
研究結(jié)果顯示：
分子錨定策略成功促進了 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池的垂直均勻結(jié)晶和界面排列。
該策略有效提升了太陽能電池的開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）和能量轉(zhuǎn)換效率（η）等性能參數(shù)。
圖S27：控制組器件和目標器件在原始狀態(tài)和T80條件下的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，控制組器件的PCE隨時間推移迅速下降，而目標器件的PCE則保持了較高的穩(wěn)定性。這表明目標器件的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）更加穩(wěn)定，這可能是由于分子錨定策略改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和界面特性，從而降低了電荷復(fù)合并提高了電荷傳輸效率。
與其他文獻中的 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池相比，本研究的性能提升顯著。
裝機示意照展示
推薦設(shè)備
SS-X
文獻參考自Advanced Materials_DOI：10.1002/adma.202404185
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