2023 Chemical Engineering Journal : PSCs效率達到22.9%! 多合一添加劑如何調節結晶與鈍化
本文亮點
磺酰基和吡啶氮協同鈍化鉛缺陷。
- 三氟甲基抑制陽離子空位並提高濕度穩定性。
- 有機添加劑用量少，實現有效的結晶控制。
- 2-BTFSIP 修飾的MAPbI3器件的 PCE 為 21.96%，總共增強了 15%
近年來，有機無機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)由於其迅猛提升的光電轉換效率而被認為是極具應用潛力的第三代光伏器件。然而，當前廣泛使用的溶液加工方法很容易形成小結晶尺寸和高缺陷態密度的鈣鈦礦薄膜，其直接影響器件的光電轉換效率和穩定性。
CEJ在2023年1月刊登一項研究，研究團隊採用一種“all-in-one”分子添加劑，即2-[N,N-雙(三氟甲烷烷磺醯)氨基]吡啶(2-BTFSIP)，同時實現了鈣鈦礦薄膜的多種電荷缺陷消除、結晶調控和耐水性提升。理論計算和實驗的結果均表明，2-BTFSIP分子中的碸基(-O=S=O)和吡啶氮原子可協同鈍化鈣鈦礦薄膜中的未配位元鉛離子和金屬鉛缺陷，而三氟甲基(-CF3)不僅可以改善薄膜的疏水性，而且還可以通過氫鍵作用錨定甲胺離子(MA+)，抑制陽離子空位的產生。此外，具有多種功能性基團的2-BTFSIP分子可以與PbI2和MAI前驅體組分產生相互作用，形成穩定的中間相，延緩鈣鈦礦晶體的結晶，有利於獲得大晶粒和低表面粗糙度的薄膜。
基於“all-in-one”添加劑對鈣鈦礦光活性層的多方面增益，優化後的的MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池具有21.96%的光電轉換效率，並且在相對濕度為50±5%的環境中存儲2400小時後仍然可以保持其初始效率的80%。而且，2-BTFSIP分子修飾還適用於FAPbI3器件，經添加後表現出22.90%的光電轉換效率，證明了這種“all-in-one”添加劑的普適性和優異性。以上結果表明，合理設計添加劑分子的結構和基團可以同時實現鈣鈦礦太陽能電池性能和穩定性的顯著提升。
圖1. 2-BTFSIP分子對MAPbI3鈣鈦礦的鈍化機理示意圖
圖2. (a)幾種分子修飾之後MAPbI3器件的J-V曲線；(b) EQE曲線和相應的積分電流密度曲線；
(c)最大功率點處的穩態PCE輸出；(d)器件的Voc, Jsc, FF和PCE參數箱式分佈圖
本文關鍵字: 鈣鈦礦太陽能電池/穩定性/含氟有機分子/缺陷鈍化/結晶調節
閱讀原文: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722048240?via%3Dihub
