《Advanced Materials》北京化工大學 譚占鰲教授團隊-使用瓦林黴素(VM)管理界面帶電缺陷,實現24.06%的高效率鈣鈦礦太陽能電池,提升效率和穩定性
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重點摘要
- 研究人員在鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦與電子傳輸層界面插入了宏環分子瓦林黴素(valinomycin,VM)作為緩衝層,以消除界面上的帶電缺陷。
- 通過理論計算和實驗分析證明,VM分子中的羰基、氨基和醚鍵可以固定正負電荷缺陷,並調節界面能階匹配。
- 最終製作出的倒裝構型鈣鈦礦太陽能電池功率轉換效率達24.06%,並具有良好的長期穩定性。
(本研究採用光焱科技的設備：太陽光摸擬器、太陽能電子效率量測系統)
研究背景
鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦光吸收層與電子傳輸層之間不可避免會存在正負電荷缺陷,這會導致嚴重的界面重結合和不利的能階匹配,限制了電池效率。插入緩衝層是消除界面缺陷的有效方法之一。本研究採用了具有羰基、氨基和醚鍵多個活性位點的宏環分子瓦林黴素(VM)作為鈣鈦礦與電子傳輸層的緩衝層。
研究成果
通過一系列理論計算和實驗分析證明,VM分子中的羰基(-C=O)和醚鍵(-O-)可以固定界面上的游離Pb2+正電荷缺陷;氨基(-NH)與碘原子形成的氫鍵可以補償負電荷缺陷。此外,VM層還使鈣鈦礦與電子傳輸層界面形成有利的順向能階傾斜,促進了電荷的有效分離。最終,採用VM緩衝層的倒裝構型鈣鈦礦太陽能電池實現了24.06%的高效率,並展現出優異的長期大氣和熱穩定性。
研究方法
- 通過密度泛函理論計算了VM分子與缺陷模型的結合力學和電子結構。結果顯示VM分子可以通過羰基、氨基等活性基團有效地固定正負電荷缺陷。
- 利用X射線光電子能譜、熱重分析等手段研究了VM分子修飾後的鈣鈦礦薄膜化學組成和熱穩定性。證實VM層可以明顯減少缺陷狀態密度。
- 測量了VM緩衝層鈣鈦礦太陽電池的穿隧效應光紫外線光譜,發現VM層調節了鈣鈦礦與電子傳輸層之間的能階匹配關係。
- 製備了採用VM緩衝層的倒裝構型鈣鈦礦太陽電池,測試了其光電轉化效率、耐熱性和長期穩定 性。證實VM緩衝層可以有效提高電池性能。
結論
本研究通過在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入具有多個活性基團的VM分子緩衝層,同時管理了界面正負電荷缺陷並調節了能階匹配,大幅提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。這為設計高性能鈣鈦礦太陽能電池提供了新的策略。
圖S8. 計算(a)無VM修飾和(b)有VM修飾的鈣鈦礦薄膜的Eu。
圖S9. (a)無VM修飾和有VM修飾的器件電子移動率和(b)洞移動率。
圖S10. JSC與光強度曲線圖。
圖S18. 不同VM濃度和無VM修飾的器件J-V曲線圖。
圖S20. (a)無VM修飾和(b)有VM修飾的鈣鈦礦薄膜在大氣環境(25 ± 5% RH)老化200小時前後的XRD圖樣。(c) PbI2峰與鈣鈦礦(100)峰的繞射強度變化比。
關鍵字
QE-R、VM
