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█ 重點摘要

最近,陜西師范大學(xué)向萬春團(tuán)隊利用光焱科技公司的測試設(shè)備,開發(fā)出以甘藍(lán)胺（GDA）埋入SnO2/鈣鈦礦界面上分子橋優(yōu)化鈣鈦礦太陽電池,。該研究結(jié)合先進(jìn)的測試設(shè)備與材料開發(fā)策略,實現(xiàn)了電池轉(zhuǎn)換效率從22.6%提升到24.7%,并顯著改善了穩(wěn)定性。

1. 使用分子改性劑甘藍(lán)胺（GDA）在SnO2/鈣鈦礦的埋底界面上構(gòu)建分子橋,，從而產(chǎn)生優(yōu)異的界面接觸,。

2. 通過GDA和SnO2之間的強烈相互作用實現(xiàn)的，明顯調(diào)節(jié)能級,。此外,，GDA可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶體的生長，產(chǎn)生晶粒尺寸增大且無針孔的鈣鈦礦薄膜,，缺陷密度顯著降低,。

3. 經(jīng)過 GDA 修改的鈣鈦礦太陽電池表現(xiàn)出開路電壓（接近1.2V）和填充因子的顯著改善，從而使功率轉(zhuǎn)換效率從 22.6% 提高到 24.7%,。此外,，GDA 器件在最大功率點和 85°C 熱量下的穩(wěn)定性均優(yōu)于對照器件。

█ 研究背景

鈣鈦礦太陽能電池因具理論上可達(dá)25%的高轉(zhuǎn)換效率,受到廣泛關(guān)注,，但鈣鈦礦材料易受溫濕度影響降解,SnO2與鈣鈦礦界面難以實現(xiàn)有效電荷傳輸,使實際效率較預(yù)期低,制約了商業(yè)化進(jìn)程,。如何提升鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性是當(dāng)前研究熱點,。充分發(fā)揮精密量測設(shè)備的優(yōu)勢,開發(fā)高性能鈣鈦礦材料與界面工程技術(shù),實現(xiàn)電池效率和穩(wěn)定性的同步提升,是目前的研究方向。

█ 研究成果

陜西師范大學(xué)向萬春團(tuán)隊設(shè)計開發(fā)出甘藍(lán)胺(GDA)分子材料,優(yōu)化SnO2與鈣鈦礦界面,。X射線衍射分析表明,GDA調(diào)控鈣鈦礦晶粒生長,生成高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜,增加晶粒尺寸,降低缺陷密度,。此外，GDA 可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦的生長以形成高質(zhì)量的薄膜,，從而減少缺陷和相關(guān)的非輻射電荷復(fù)合,。因此，經(jīng)過GDA修飾的 PSC 表現(xiàn)出接近1.2 V的令人印象深刻的VOC和 24.70%的效率,，高于對照器件的22.60%和離子類似物醋酸胍(GAAc)修飾的PSC的24.22%,，同時遲滯現(xiàn)象減少最后，與對照和GAAc修改的器件相比,，GDA 修改也大大提高了最大功率點 (MPP)跟蹤和85 °C熱量下的器件穩(wěn)定性,。該研究成果發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》

█ 研究方法

采用設(shè)備

本研究采用光焱科技AM1.5G太陽光模擬器(AAA class solar simulator)以及Si標(biāo)準(zhǔn)參考電池SRC2020(NREL-certified silicon cell )，量子效率量測設(shè)備 QE-R,。

█ 結(jié)果與討論

要點1：分子與SnO2和鈣鈦礦的橋接作用

研究團(tuán)隊選擇GDA作為鈣鈦礦界面改性劑的原因有兩方面：其一,，GDA具有高熱穩(wěn)定性和良好的溶解性，在界面形成和沉積過程中能夠提供穩(wěn)定的支撐,。其二,，GDA分子含有羧基和GA基團(tuán)，可以與SnO2和鈣鈦礦形成強的配位作用,，從而在兩者之間建立橋梁,，改善界面接觸，有助于提高載流子傳輸效率和減少電荷復(fù)合,。

研究團(tuán)隊通過實驗和密度泛函理論計算證明了GDA與SnO2之間的化學(xué)相互作用,，主要源于GDA中的羧基與SnO2表面的欠配位Sn4+結(jié)合。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測量也支持了這一觀點,，顯示出GDA分子與SnO2層之間的相互作用,。

要點2：GDA對SnO2層的改性

研究團(tuán)隊使用頂視掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）表征了GDA對SnO2層形貌和粗糙度的影響。GDA修飾導(dǎo)致SnO2表面的納米粒子層變得更加均勻和連續(xù),，粗糙度減小,，有利于鈣鈦礦薄膜的均勻成核和結(jié)晶，從而提高界面電荷轉(zhuǎn)移效率,。

通過紫外光電子能譜（UPS）測量,，研究團(tuán)隊觀察到經(jīng)過GDA修飾的SnO2能級發(fā)生改變，費米能級上升,，有利于界面電荷傳輸,。這些結(jié)果進(jìn)一步表明，GDA修飾影響了SnO2的能級結(jié)構(gòu)，從而改善了PSC界面性能,。

要點3：下界面改性對鈣鈦礦層的影響

研究團(tuán)隊研究了經(jīng)過GDA改性和未經(jīng)GDA改性的SnO2層上鈣鈦礦層的性能,。通過SEM和XRD表征，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)GDA修飾有助于形成更平坦和致密的鈣鈦礦薄膜,，提高了結(jié)晶度,。這對于減少電荷缺陷和提高電荷傳輸效率非常重要。

要點4：下界面改性對鈣鈦礦薄膜結(jié)晶的影響

通過原位XRD測量,，研究團(tuán)隊研究了GDA修飾對鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程的影響,。結(jié)果顯示，GDA改性影響了中間相的形成,，導(dǎo)致晶格膨脹,。此外，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)GDA修飾還影響了鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸和結(jié)晶動力學(xué),，進(jìn)一步改善了薄膜質(zhì)量,。

要點5：器件性能與穩(wěn)定性

研究團(tuán)隊制備了經(jīng)過GDA修飾和未經(jīng)GDA修飾的PSC，并評估了它們的性能和穩(wěn)定性,。結(jié)果顯示,，經(jīng)過GDA修飾的器件在光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)出優(yōu)勢。GDA改性有助于抑制非輻射電荷復(fù)合,，提高載流子提取效率,，并減少界面陷阱密度。這導(dǎo)致了更高的PCE和更好的穩(wěn)定性,。

█ 結(jié)論

該研究運用精密的光伏測試設(shè)備,開發(fā)出甘藍(lán)胺分子材料修飾SnO2/鈣鈦礦界面,顯著提升了鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性,。研究證明先進(jìn)測試設(shè)備的應(yīng)用為材料開發(fā)提供了有力支撐,也為實現(xiàn)高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽電池的低成本批量生產(chǎn)提出了新的設(shè)計思路。期待不同領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研單位通力合作,加快高效鈣鈦礦太陽電池的實際應(yīng)用進(jìn)程,。