近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和低成本優(yōu)勢， 成為備受關(guān)注的下一代光伏技術(shù)。 但是， 鈣鈦礦材料本身存在著一些固有的問題， 例如界面缺陷、 載流子復(fù)合以及環(huán)境不穩(wěn)定性等， 這些問題阻礙了鈣鈦礦太陽能電池走向大規(guī)模應(yīng)用。
為了解決這些問題， 科學(xué)家們一直在探索新的材料和技術(shù)， 其中一項重要的研究方向是通過對器件的界面進行優(yōu)化， 抑制非輻射復(fù)合過程， 提升器件的穩(wěn)定性和效率。
近期， 河南大學(xué)李萌教授團隊 在 Advanced Materials 期刊上發(fā)表了一篇重磅研究成果。 他們通過將多功能偶極分子 tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium (TFHSP)應(yīng)用于反式鈣鈦礦太陽能電池， 有效抑制了鈣鈦礦/電子傳輸層 (ETL) 界面的非輻射復(fù)合損失， 最終實現(xiàn)了電池效率和穩(wěn)定性的顯著提升。
【多功能偶極分子 TFHSP： 巧妙解決界面難題】
這項研究中使用的 TFHSP (Trifluoromethylsulfonyl Pyrrole，三氟甲磺基吡咯) 是一種多功能的偶極分子， 在鈣鈦礦太陽能電池的界面工程中具有重要的影響， 主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
l 界面修飾: TFHSP 分子由于其偶極特性， 可以有效修飾鈣鈦礦與電極之間的界面， 改善界面的接觸性質(zhì)， 從而減少界面處的缺陷和非輻射復(fù)合， 提高載流子的分離和傳輸效率。
l 能級匹配: TFHSP 分子可以調(diào)控界面能級， 使鈣鈦礦層與電極之間形成更好的能級匹配， 降低界面處的能量勢壘， 從而有助于電子或空穴的注入或提取， 提升光電轉(zhuǎn)換效率。
l 界面鈍化: TFHSP 分子具有良好的鈍化作用， 可以有效鈍化鈣鈦礦表面的缺陷態(tài)， 減少界面復(fù)合中心的數(shù)量， 降低非輻射復(fù)合損失， 提高開路電壓和填充因子。
l 穩(wěn)定性增強: 由于 TFHSP 分子的存在， 可以形成更穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)， 提高鈣鈦礦太陽能電池在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性， 延長器件的使用壽命。
其次， TFHSP 在鈣鈦礦和 ETL 之間形成了一個正極偶極層， 有效地優(yōu)化了能級排列， 促進界面電荷的提取， 進一步提高了電池效率。
最后， TFHSP 和鈣鈦礦材料之間形成的強相互作用可以穩(wěn)定鈣鈦礦材料的表面， 同時， TFHSP 分子中疏水的氟化部分可以防止水和氧氣進入鈣鈦礦層， 增強了器件的環(huán)境穩(wěn)定性。
【效率與穩(wěn)定性顯著提升， 推動鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)進步】
采用 TFHSP 改性后的反式鈣鈦礦太陽能電池， 其光電轉(zhuǎn)換效率達到了 24.6%。 令人驚喜的是， 該器件展現(xiàn)了穩(wěn)定性， 未封裝的器件在 60% 的相對濕度下， 放置在空氣中 1000 小時后， 仍然保持了 91% 的初始效率， 并在 35°C 條件下進行最大功率點跟蹤測試（MPP）500 小時后， 效率依然保持 95%。
為了更精確地研究鈣鈦礦材料的光電轉(zhuǎn)換效率， 該團隊還使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學(xué)儀 和 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級太陽光模擬器， 分別用于測量電池在不同光譜范圍內(nèi)的外量子效率 (EQE) 和模擬真實陽光照射條件。
這項研究的成功證明了， 通過采用多功能偶極分子可以有效地改善鈣鈦礦太陽能電池的界面特性， 進而提高電池效率和穩(wěn)定性。 該研究成果為高性能、 長壽命鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)指明了新的方向。
河南大學(xué)李萌教授團隊利用多功能偶極分子 TFHSP， 成功地改善了反式鈣鈦礦太陽能電池的界面性質(zhì)， 并提高了器件的效率和穩(wěn)定性。 這項研究充分展現(xiàn)了在鈣鈦礦太陽能電池界面工程中， 應(yīng)用多功能分子的潛力和優(yōu)勢。 未來， 通過不斷探索新的功能性分子和優(yōu)化界面工程技術(shù)， 鈣鈦礦太陽能電池將會展現(xiàn)更加優(yōu)異的性能， 并最終走向更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域， 推動可再生能源技術(shù)的發(fā)展。
重要技術(shù)參數(shù)：
鈣鈦礦太陽能電池效率: 24.6%
穩(wěn)定性: 在空氣中 (60% 濕度) 儲存 1000 小時后， 保持了 91% 的初始效率； 在 35 °C 條件下進行 MPP 跟蹤測試 500 小時后， 效率依然保持 95%
關(guān)鍵技術(shù): TFHSP 多功能偶極分子界面改性
關(guān)鍵設(shè)備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學(xué)儀 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級太陽光模擬器
參考文獻
Inhibiting Interfacial Nonradiative Recombination in Inverted Perovskite Solar Cells with a Multifunctional Molecule_ Adv.Mater, 07 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202407433
【本研究參數(shù)圖】
Fig 4. 器件光伏性能。a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖及TFHSP與鈣鈦礦的相互作用。b) 對照組和c) TFHSP組的最佳鈣鈦礦太陽能電池的J–V曲線。d) 對照組和TFHSP組的最佳鈣鈦礦太陽能電池的EQE光譜和積分JSC。e) 電荷傳輸和非輻射復(fù)合損失對對照組和TFHSP組器件填充因子的影響。
Fig 3. 鈣鈦礦薄膜/器件的光電特性。a) 處理前后器件的陷阱態(tài)密度(tDOS)光譜。b) 處理前后器件的瞬態(tài)光電壓(TPV)，τ1和τ2分別表示對照組和TFHSP處理器件的載流子復(fù)合壽命。c) 處理前后單電子器件的陷阱密度，包括歐姆區(qū)、陷阱填充極限(TFL)區(qū)和Child區(qū)。d) 處理前后器件的光強依賴性開路電壓(VOC)。e) 處理前后鈣鈦礦太陽能電池的暗態(tài)J–V曲線。f) 處理前后器件的電化學(xué)阻抗譜(EIS)特性。
推薦設(shè)備
1. QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
具有以下特色優(yōu)勢：
高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準(zhǔn)光源，確保 EQE 測量的準(zhǔn)確性和可靠性。
寬光譜范圍:QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。
快速測量:QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進行 EQE 光譜測量。
易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學(xué)者也能輕松上手。
多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進行 EQE 測量，還可以進行反射率、透射率等光學(xué)特性的測量，具有多功能性。
2. SS-X系列_AM1.5G A+級太陽光仿真器
AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器
A+ 光譜：接近 AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜
A+ 輻照度的時間不穩(wěn)定性
SS-IRIS：自主研發(fā)技術(shù)自動光強操控
適合與手套箱集成的輸出光束方向
IVS-KA6000：IV測量軟件 所有 SS-X 系列太陽光模擬器都可以通過 IVS-KA6000 軟件進行控制，該軟件是 IV 測量軟件，可用于準(zhǔn)確的 PV 表征。不僅是光閘，輸出光輻照度也可以通過 IVS-KA6000 IV 軟件進行操控，幫助用戶輕松完成不同光強下復(fù)雜的 IV 測試或 Sun- Voc測試。來自 IVS-KA6000 的所有 IV 數(shù)據(jù)都可以通過 IVS-KA-Viewer 讀取和分析，這是另一款多功能分析軟件。
KA-Viewer IV 分析軟件 可以大幅縮短用戶的數(shù)據(jù)處理時間，并可加快整體工藝改進研發(fā)的時程。
文獻參考自 Adv.Mater, 07 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202407433
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