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進行，并在交流模式下進行測量。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。

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

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