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2021 Energy Environ. Sci. (IF 38.532), 22.09% PCE 倒置鈣鈦礦! 羥基化 NFA 如何發揮作用?

SS-X 太陽光模擬器使效率突破成為可能!
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  Energy & Environmental Science (IF 38.532) 在近期發表一項研究,探討可用於倒置鈣鈦礦太陽能電池的羥基化非富勒烯受體,並達成 22.09% 高效率。在過去十年中,有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 引發了廣泛的研究,功率轉換效率 (PCE) 也接連提高。與傳統 n-i-p 結構的 PSC 相比,倒置 p-i-n 結構的 PSC (i-PSC) 表現出可忽略不計的遲滯現象和可用於構建串聯太陽能電池的潛力。但是,由於缺陷態的非輻射複合和電子傳輸層的能量不匹配,i-PSC 的功率轉換效率 (PCE) 仍然落後於傳統電池。

  在此研究中,為同時減少缺陷和改善電子傳輸,研究團隊使用羥基化非富勒烯受體 (稱為 IT-DOH) 來修飾鈣鈦礦和電子傳輸層 (ETL) 間的界面。IT-DOH 分子主要分佈在晶粒邊界處,並以三種方式起作用:

第一,與參考分子 ITIC 相比,除了 -CN 和 -C=O 基團外,額外的 -OH 還可以與 Pb2+ 進一步鈍化鈣鈦礦薄膜的缺陷,並更有效地抑制非輻射複合。

第二,ITDOH 的 LUMO 能級形成級聯能級排列,並促進電子提取。

第三,由於分子間氫鍵相互作用引起的共軛面拉長,IT-DOH 分子呈現出長程有序的分子排列和正面取向,有利於電子從鈣鈦礦傳輸到 ETL。

  透過光焱科技太陽光模擬器進行電流密度-電壓 (J−V) 量測、正向掃描和反向掃描,並以光焱科技 QE-R 量子效率測量系統進行外部量子效率 (EQE) 檢測。研究結果發現,經 IT-DOH 處理的 i-PSC 在實現了 22.09% 的 PCE,是目前已發表有關 NFA i-PSC 論文中的最高值。此研究也證實 NFA 分子的羥基化對於減少缺陷和改善電子提取/傳輸非常重要。

  光焱科技量子效率測量系統除了用於太陽能電池的 EQE (External Quantum Efficiency) 光譜分析,同時對於太陽能電池在太陽光模擬器下的短路電流,也提供了 Jsc (short-circuit current density) 的比對,以證明實驗的真確性。光焱科技的太陽光模擬器與 KA-6000 軟體,也同時提供了短路電流對時間變化的監控,以證明太陽能電池的穩定!

Inverted Perovskite PSC structure
Inverted Perovskite precursor solution Annealing

IT-DOH的化學結構和鈣鈦礦薄膜的沉積過程。

Inverted Perovskite EQE Curve J-V Curve Current Density
Inverted Perovskite hydroxylated NFA non-fullerene acceptors EQE
CsFAMA PSC 的 EQE 曲線和 Jsc
Inverted Perovskite EQE Curve J-V Curve reverse and forward scanning

反向和正向掃描的 J-V 曲線,包含 IT-DOH 處理的 (a) CsFAMA 鈣鈦礦和 (b) CsFA 鈣鈦礦。

本文關鍵字:非富勒烯受體、 non-fullerene acceptor、NFA、 倒置鈣鈦礦太陽能電池、p-i-n PSC、太陽光模擬器、Solar Simulator 、量子效率、Quantum Efficiency

原文:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee02248b

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