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川大彭強最小化界面能量損失策略實現電壓損失0.36 V

發表時間:2024/9/6 15:37:26

為減少鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)能量損失,優化界面接觸和能帶對齊至關重要。四川大學彭強團隊于Energy & Environmental Science八月發表將氟取代琥珀酸衍生物引入鈣鈦礦底部界面,其中四氟琥珀酸(TFSA)因其對稱結構和強電負性成為最佳界面調節劑。TFSA通過多位點氫鍵穩定FA陽離子,配位效應失活未配位Pb2+缺陷,并調節MeO-2PACz形貌和表面電位,形成高質量鈣鈦礦膜。結果,0.09 cm2倒置器件效率達25.92%(認證25.77%),電壓損失僅0.36 V,長期穩定性出色。12.96 cm2微模塊效率達22.78%,展示擴展潛力。本研究為調控埋藏界面能量損失提供有效途徑,實現高效穩定的倒置鈣鈦礦太陽能電池。

有機-無機混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因高效率、簡便制備和經濟性在太陽能轉換領域嶄露頭角。倒置PSCs已達26.15%認證效率,展現巨大應用潛力。然而,PSCs效率仍未達理論極限,主要受鈣鈦礦膜電壓損失和界面缺陷影響。界面能量損失是提高效率的關鍵障礙,尤其在底部界面。高性能倒置PSCs多基于自組裝單分子層(SAMs)空穴傳輸層,但實現缺陷封閉仍具挑戰。SAMs分子聚集阻礙高密度單分子層形成,不利于界面接觸和鈣鈦礦結晶。埋藏界面影響膜形態、缺陷和穩定性,組分異質性導致缺陷積累和非輻射復合,降低開路電壓。光不穩定PbI2降解進一步影響穩定性。

過量FAI可補償缺陷,抑制離子遷移和相分離,但陷阱仍集中于界面附近。界面修改策略旨在重新分布不良組分,減少缺陷。預嵌FAI層有效消除PbI2殘留,但熱退火導致有機陽離子流失,均勻分布仍具挑戰。因此,需要新策略同時解決SAM HTLs排列、鈣鈦礦結晶和界面接觸問題。

本研究提出埋藏界面能量損失調控策略,通過多功能界面橋調節SAMs性質和鈣鈦礦生長。引入氟化琥珀酸衍生物,其中TFSA通過多重作用機制優化界面。TFSA抑制碘空位缺陷,穩定FA陽離子,調控MeO-2PACz排列和表面電位。結果獲得高質量鈣鈦礦膜,小面積器件效率達25.92%,填充因子85.06%,創RbCsFAMA基倒置PSCs新高。未封裝器件在高溫和光照下展現優異穩定性。12.96 cm2微模塊效率達22.78%,顯示良好擴展性。
參考文獻DOI:10.1039/D4EE02964J


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研究手法與步驟

1.         材料合成:合成氟代小分子材料。

2.       太陽能電池制造:
a. 制備空穴傳輸層(HTL)。
b. 旋涂氟代小分子材料作為界面改性層。
c. 旋涂鈣鈦礦前驅體溶液。
d. 使用抗溶劑處理以促進薄膜結晶。
e. 110°C下進行熱退火處理。

3.       迷你模塊制造:
a. 使用真空輔助的方法制造大面積鈣鈦礦薄膜。
b. 旋涂前驅體溶液,并在低壓下快速去除溶劑。
c. 110°C下進行長時間的退火處理。
d. 使用激光刻劃系統進行串聯連接的圖案化。

4.      表征分析:
a. XRD分析鈣鈦礦薄膜的晶體結構。

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b. SEMAFM分析薄膜的表面形態。
c. KPFM測量表面電位。
d. NMR分析氟代小分子的化學結構。
e. UV-vis吸收光譜分析薄膜的光學性質。

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f. PLTRPL測量薄膜的發光特性。


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S17. 控制組、SADFSATFSA基鈣鈦礦材料的穩態光致發光光譜。


g. EIS分析太陽能電池的電化學性質。

h. ENLITECH REPS-VOC設備

·         用于在黑暗條件下檢測EQEEL(電致發光外部量子效率)光譜。

·         I-V曲線測量范圍為0-1.5 V,步長為0.02

·         EL測量在1.9 V的應用電壓下進行。

·         通過擬合I-VEL來獲得EQEEL

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S30。分別為(a)對照組,(bSA處理組,(cDFSA處理組和(dTFSA處理組的烏爾巴赫能量(Eu)曲線。

i. ENLITECH PECT-600設備:

l   用于進行HS-EQE(高靈敏度EQE)測量。

l   Urbach能量通過擬合尾態來獲得。

研究團隊采用了光焱科技提供的能量耗損分析設備系列,包括 REPSFTPS(型號PECT-600)設備專門針對ΔE2ΔE3Voc耗損進行必要的參數分析。光焱科技的完整Voc耗損分析系統可將上述設備的數據直接執行導入與導出,有效簡化了原本繁瑣且需要大量計算驗證的研究流程,從而成功獲取器件各階段所需的關鍵參數,并降低了程序負荷和人為計算錯誤的風險。


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5.      性能測試:
a. J-V曲線測量以評估電池的效率。
b. 穩定性測試,包括最大功率點(MPP)追蹤和熱穩定性測試。
c. 表面張力測量以計算Flory-Huggins交互作用參數(χ)。

6.      結果分析與討論:
a. 分析氟代小分子對鈣鈦礦薄膜結構和性能的影響。
b. 評估迷你模塊的效率和穩定性。


TFSA器件有效限縮Voc耗損僅為0.36 V

研究人員通過引入四氟琥珀酸(TFSA)作為界面調節劑,成功地調控了鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的埋藏界面能量損失,實現了高效且穩定的器件性能。TFSA通過對稱的分子結構和多活性位點,有效抑制了碘空位缺陷的形成,穩定了FA陽離子,并優化了自組裝單分子層(SAMs)的排列和能級,從而獲得了高質量的鈣鈦礦薄膜。結果顯示,基于TFSA的器件在0.09 cm2的孔徑面積上實現了25.92%的功率轉換效率(PCE),Voc缺口僅為0.36 V,這是基于RbCsFAMA鈣鈦礦的反轉PSCs的高效率。此外,該策略還被應用于迷你模塊,實現了22.78%PCE,展現了其擴展應用的潛力。未經封裝的器件也展現出優異的長期穩定性和熱老化穩定性,證明了這一策略在實際應用中的可行性和潛力。這項工作為開發高效穩定的反轉PSCs提供了一種創新性的界面能量損失調控方法。

此研究成功突破了以下研究困境:

  1. 鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的效率提升:通過使用四氟琥珀酸(TFSA)作為界面調節劑,研究成功地提高了反轉式PSCs的效率,實現了25.92%的功率轉換效率(PCE),這是基于RbCsFAMA鈣鈦礦體系的高效率。

  2. 鈣鈦礦薄膜的質量改善:TFSA的使用顯著降低了碘空位缺陷的形成,穩定了FA陽離子,并通過改善自組裝單分子層(SAMs)的排列和能級,獲得了高質量的鈣鈦礦薄膜。

  3. 界面缺陷的減少:研究提出了一種多功能界面橋策略,通過調節SAMs的性質和鈣鈦礦晶體生長,有效減少了界面缺陷,降低了電荷傳輸阻隔,并抑制了非輻射復合。

  4. 長期穩定性的提高:未經封裝的器件展現出優異的長期熱老化和操作穩定性,超過73%84%的初始效率在600小時連續熱老化和1826小時最大輸出功率點跟蹤后得以保留。

  5. 可擴展性驗證:策略被擴展到迷你模塊,實現了22.78%PCE,展現了在擴大鈣鈦礦膜應用潛力方面的成功。

克服了有機陽離子在熱退火過程中的損失挑戰:研究成功解決了在熱退火過程中有機陽離子損失的問題,實現了鈣鈦礦在埋藏界面上均勻分布的組成。


文獻參考自Energy & Environmental Science_ DOI:10.1039/D4EE02964J

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