摘要
鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 因其高效率,、低成本和可印刷性等優(yōu)點,，成為最有希望取代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的下一代光伏技術(shù)。近年來,，鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)的效率不斷攀升,，已突破 25% 的瓶頸,，但其長期穩(wěn)定性問題仍然是阻礙其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
為了解決這一挑戰(zhàn),，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所的 Ziyi Ge 和 Daobin Yang 研究團隊設(shè)計合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生自組裝單層 (SAMs)：IDCz-1,、IDCz-2 和 IDCz-3，并將其用于制備倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs),。通過調(diào)節(jié) IDCz 單位的兩個氮原子位置,，有效地提高了分子偶極矩，并增強了 π-π 相互作用,。研究人員發(fā)現(xiàn),，使用 IDCz-3 作為空穴收集層的倒置 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)表現(xiàn)出最佳的性能,，其 PCE 達到了 25.15%，創(chuàng)下了多足 SAMs 基 PSCs 的新紀錄,，并且未封裝的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小時,，性能幾乎沒有下降，展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性,。
本研究使用設(shè)備
QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)
研究背景與核心概念
倒置 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)由于其結(jié)構(gòu)簡單,、制備工藝易于控制等優(yōu)點，成為目前 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 研究領(lǐng)域的熱點,。在倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 中,，空穴傳輸層 (HTL) 與鈣鈦礦薄膜的界面起著至關(guān)重要的作用，它決定了器件的效率和穩(wěn)定性,。自組裝單層 (SAMs) 作為一種有效的界面修飾材料，近年來在 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,，它可以有效地鈍化界面缺陷,，降低電荷復合，并改善載流子傳輸性能,。
然而,，現(xiàn)有的 SAMs 通常面臨著一些挑戰(zhàn)，例如無法有效改善埋藏界面缺陷,、穩(wěn)定性不足等問題,。為了進一步提升 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率和穩(wěn)定性，需要開發(fā)新型的 SAMs 材料,，并深入研究其作用機制,。
研究方法與主要發(fā)現(xiàn)
該研究團隊設(shè)計合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生 SAMs：IDCz-1,、IDCz-2 和 IDCz-3,。這三種分子通過調(diào)節(jié) IDCz 單位的兩個氮原子位置，有效地提高了分子偶極矩,，并增強了 π-π 相互作用,。
研究人員發(fā)現(xiàn)，通過控制分子偶極矩和能級,，可以改變 FTO 電極的功函數(shù) (WF),，從而調(diào)節(jié)鈣鈦礦的能帶彎曲，促進空穴提取和阻擋電子,。其中,，使用 IDCz-3 作為空穴收集層的倒置 PSCs 表現(xiàn)出最佳的性能。
研究結(jié)果與討論
研究人員通過一系列表征手段,，包括 UV-Vis,、XPS,、KPFM、SCLC 等,，對 IDCz-3 的性能進行了分析,。結(jié)果表明：
提高鈣鈦礦薄膜質(zhì)量： IDCz-3 可以有效地提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，降低其表面粗糙度,，從而減少缺陷,。
降低缺陷密度： IDCz-3 可以有效地鈍化鈣鈦礦薄膜中的缺陷，包括晶界處和表面處的缺陷,，從而降低缺陷密度,。
促進電荷傳輸： IDCz-3 可以有效地降低鈣鈦礦/HTL 界面的能壘，促進空穴提取,，提高器件的短路電流密度 (Jsc) 和填充因子 (FF),。
抑制非輻射復合： IDCz-3 可以有效地抑制非輻射復合，提高器件的開路電壓 (Voc) 和效率,。
基于 IDCz-3 的倒置 PSCs 的 PCE 達到 25.15%,，創(chuàng)下了多足 SAMs 基 PSCs 的新紀錄。此外,，未封裝的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小時,，性能幾乎沒有下降，展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性,。
結(jié)論與展望
該研究開發(fā)的具有更大偶極矩的雙膦酸錨定自組裝分子,，有效提升了鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率和穩(wěn)定性，為鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新的方向,。
未來,，可以通過進一步優(yōu)化 SAMs 的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，例如：
合成具有更強偶極矩的分子,。
優(yōu)化 SAMs 的分子排列方式,，以提高其鈍化效果。
將 SAMs 與其他界面工程策略結(jié)合,，進一步提升 PSCs 的性能,。
相信隨著研究的深入，鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的性能將會進一步提升,，并最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,，為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻力量。,。
本文參數(shù)圖:
Fig S19_ J-V曲線圖,，分別代表基于IDCz-1、IDCz-2和IDCz-3的PSCs ,。都顯示了正向（Forward）和反向（Reverse）掃描的電流密度（單位為安培每平方厘米）隨電壓（單位為伏特）變化的曲線,。
· IDCz-1：正向和反向掃描曲線非常接近,，表明器件性能穩(wěn)定。
· IDCz-2：同樣顯示出正向和反向掃描曲線重合,，穩(wěn)定性好,。
· IDCz-3：曲線與前兩者相似，也顯示出良好的重合性,。
· 所有曲線在接近1.2V時電流密度迅速下降,，這可能是由于達到了器件的最大功率點。曲線的形狀和穩(wěn)定性對于評估太陽能電池的性能非常重要,。
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原文出處: Advanced Materials
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