Molecular Bridge on Buried Interface for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells埋入介面上的分子橋用於高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池

Enlitech-頂尖團隊的選擇！

最近,陝西師範大學向萬春團隊利用光焰科技公司的測試設備,開發出以甘藍胺(GDA)埋入SnO2/鈣鈦礦界面上分子橋優化鈣鈦礦太陽電池。該研究結合先進的測試設備與材料開發策略,實現了電池轉換效率從22.6%提升到24.7%,並顯著改善了穩定性。

使用分子改性劑甘藍胺(GDA)在SnO2/鈣鈦礦的埋底界面上構建分子橋,從而產生優異的界面接觸。
通過GDA和SnO2之間的強烈相互作用實現的,明顯調節能級。此外,GDA可以調節鈣鈦礦晶體的生長,產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。
經過 GDA 修改的鈣鈦礦太陽電池表現出開路電壓(接近 1.2 V)和填充因子的顯著改善,從而使功率轉換效率從 22.6% 提高到 24.7%。此外,GDA 器件在最大功率點和 85°C 熱量下的穩定性均優於對照器件。

研究背景

鈣鈦礦太陽能電池因具理論上可達25%的高轉換效率,受到廣泛關注。但鈣鈦礦材料易受溫溼度影響降解,SnO2與鈣鈦礦界面難以實現有效電荷傳輸,使實際效率較預期低,制約了商業化進程。如何提升鈣鈦礦太陽電池轉換效率和長期穩定性是當前研究熱點。充分發揮精密量測設備的優勢,開發高性能鈣鈦礦材料與界面工程技術,實現電池效率和穩定性的同步提升,是目前的研究方向。

研究成果

陝西師範大學向萬春團隊設計開發出甘藍胺(GDA)分子材料,優化SnO2與鈣鈦礦界面。X射線衍射分析表明,GDA調控鈣鈦礦晶粒生長,生成高質量鈣鈦礦薄膜,增加晶粒尺寸,降低缺陷密度。此外,GDA 可以調節鈣鈦礦的生長以形成高質量的薄膜,從而減少缺陷和相關的非輻射電荷複合。因此,經過GDA修飾的 PSC 表現出接近 1.2 V的令人印象深刻的 VOC和 24.70%的冠軍效率,高於對照器件的 22.60%和離子類似物醋酸胍(GAAc)修飾的 PSC 的 24.22%,同時遲滯現象減少最後,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熱量下的器件穩定性。該研究成果發表在《Angewandte Chemie International Edition》

研究方法

採用設備

本研究採用光焰科技 3A級 AM1.5G太陽光模擬器(AAA class solar simulator)以及Si標準參考電池 SRC2020(NREL-certified silicon cell ),量子效率量測設備 QE-R。

結果與討論

要點1:分子與SnO2和鈣鈦礦的橋接作用

研究團隊選擇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定的支撐。其二,GDA分子含有羧基和GA基團,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樑,改善界面接觸,有助於提高載流子傳輸效率和減少電荷複合。

研究團隊通過實驗和密度泛函理論計算證明了GDA與SnO2之間的化學相互作用,主要源於GDA中的羧基與SnO2表面的欠配位Sn4+結合。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

研究團隊使用頂視掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)表徵了GDA對SnO2層形貌和粗糙度的影響。GDA修飾導致SnO2表面的奈米粒子層變得更加均勻和連續,粗糙度減小,有利於鈣鈦礦薄膜的均勻成核和結晶,從而提高界面電荷轉移效率。

通過紫外光電子能譜(UPS)測量,研究團隊觀察到經過GDA修飾的SnO2能級發生改變,費米能級上升,有利於界面電荷傳輸。這些結果進一步表明,GDA修飾影響了SnO2的能級結構,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

研究團隊研究了經過GDA改性和未經GDA改性的SnO2層上鈣鈦礦層的性能。通過SEM和XRD表徵,研究團隊發現GDA修飾有助於形成更平坦和緻密的鈣鈦礦薄膜,提高了結晶度。這對於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晶的影響

通過原位XRD測量,研究團隊研究了GDA修飾對鈣鈦礦薄膜結晶過程的影響。結果顯示,GDA改性影響了中間相的形成,導致晶格膨脹。此外,研究團隊發現GDA修飾還影響了鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸和結晶動力學,進一步改善了薄膜質量。

要點5:器件性能與穩定性

研究團隊製備了經過GDA修飾和未經GDA修飾的PSC,並評估了它們的性能和穩定性。結果顯示,經過GDA修飾的器件在光電轉換效率(PCE)和穩定性方面都表現出優勢。GDA改性有助於抑制非輻射電荷複合,提高載流子提取效率,並減少界面陷阱密度。這導致了更高的PCE和更好的穩定性。

結論

該研究運用精密的光伏測試設備,開發出甘藍胺分子材料修飾 SnO2/鈣鈦礦界面,顯著提升了鈣鈦礦太陽電池的轉換效率和長期穩定性。研究證明先進測試設備的應用為材料開發提供了有力支撐,也為實現高效穩定鈣鈦礦太陽電池的低成本批量生產提出了新的設計思路。期待不同領域的產學研單位通力合作,加快高效鈣鈦礦太陽電池的實際應用進程。