固体所构建鲁棒性异质界面助力高效稳定的反式钙钛矿太阳电池
时间 : 2024-01-03     

  2023年10月6日,中科院合肥物质院固体所能源材料与器件制造研究部潘旭研究员团队在反式钙钛矿太阳电池研究方面取得新进展。研究人员提出构建鲁棒性的钙钛矿-基底界面的新思路,采用分子桥构型Ph-CH2N+H3-n(CH3)nn为锚定位点的取代程度),实现界面载流子的选择性高速率传输,获得了25.45%的光电转换效率。相关成果以“Constructing Robust Heterointerface for Carrier Viaduct via Interfacial Molecular Bridge Enables Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cell”为题发表在Energy & Environmental SciencesEnergy Environ. Sci., 2023)上。

  随着与正式构型器件(n-i-p)之间效率差的逐渐缩小,反式(p-i-n)钙钛矿太阳电池(PSCs)在未来商业化进程中展现出巨大的潜力。PSCs性能的早期改进主要是专注于消除开路电压损失和获得接近统一的内部量子效率。然而,不管是n-i-p或者p-i-nPSCs的效率依然受限于填充因子(FF)。研究人员根据Shockley-QueisserS-Q)理论发现,FF(红色)的电阻损耗是n-i-pp-i-nPSCs的主要限制因素(图1a),FFS-Q极限值之间的较大间隙可能是由于载流子选择性接触差导致的载流子分流,以及载流子重组相关的电阻损失。因此,调控钙钛矿和HTL界面上的载流子行为,可提高FF,并进一步弥合与n-i-pPSCs之间的效率差距(图1b)。聚[(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)](PTAA)是一种广泛应用于p-i-n结构的空穴传输层材料(HTM),由于其良好的平衡效率和稳定性而显示出重要的应用前景。但PTAA缺乏有效的载流子提取和运输管理,这为改进FF留下了空间。研究人员希望通过改善钙钛矿和输运层之间界面的载流子选择接触进一步提高效率。

  基于此,研究人员对PTAA/钙钛矿异质界面的局部电位进行可视化处理,并研究了其对器件性能的潜在影响。研究发现,PSCs堆叠界面处的局部静电电位分布对载流子传输和层间提取至关重要,可以通过对其进行精细调节以获得有利的载流子行为。因此,科研人员采用密度泛函理论(DFT)计算和截面KPFM来直接评估局部静电电位分布,并提出了由Ph-CH2N+H3-n(CH3)n组成的界面分子桥策略(其中n是取代度),其中-N+H3-n(CH3)n基团优先插入钙钛矿中框架,苯基垂直向下朝向钙钛矿基底。最稳定的QA(季铵盐:苯甲胺三甲基盐酸盐)分子桥构型实现了定向载体管理并重新分配均匀的静电环境,并协同钝化界面缺陷。研究结果表明,构建坚固的钙钛矿基底异质界面可降低电阻损耗,并实现载流子选择性。

  该研究工作为进一步提升高效、稳定的PSCs器件提供了新的优化方向,对推动PSCs走向商业化发展具有重要意义。

   

  图1.a)根据S-Q理论,对基于PTAAHTM的正式(n-i-p)和反式(p-i-n)钙钛矿太阳电池的效率损失分析;(b)不同构型的高效钙钛矿太阳电池的填充因子(FF)和效率(PCE)记录;(c)载流子管理机理示意图;(d)界面分子构型以及表面静电势。

    

  图2.a-b)沉积在PTAA上钙钛矿薄膜的瞬态吸收光谱(TA);(cPTAA/PVSK异质结在不同衰减时间对应的TA光谱;(d-e)截面AFMKPFM;(f-g)对应器件的电势和电场分布;(hMott-Schottky曲线;(ix-y平面上的平均电荷密度分布;(j)介于PTAA/PVSK之间的Bader电荷;(k)钙钛矿薄膜的载流子密度(黑色)和霍尔迁移率(红色)统计;(l)归一化的瞬态光电流测试。

  固体所博士研究生徐慧芬为该论文第一作者,梁政为共同一作,潘旭研究员、叶加久博士后为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、安徽省杰出青年基金等项目的资助。

  设施贡献:

  国家蛋白质科学研究(上海)设施高通量晶体结构线站BL17B1为该工作的同步辐射掠入射广角X射线散射(GIWAXS)数据收集提供了实验条件和技术支持。

  文章链接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/EE/D3EE02591H