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孟磊團(tuán)隊(duì):異構(gòu)雙銨鹽鈍化助力鈣鈦礦電池效率超26%

發(fā)表時(shí)間:2024/10/21 14:25:45

研究成就與看點(diǎn)

本研究的主要亮點(diǎn)在于利用異構(gòu)雙銨鹽鈍化劑 cis-CyDAI2 trans-CyDAI2 處理寬帶隙鈣鈦礦活性層表面,發(fā)現(xiàn)異構(gòu)體與鈣鈦礦表面呈現(xiàn)兩種不同的交互作用行為。其中 cis-CyDAI2 鈍化處理可有效減少寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (pero-SC) 的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂 (QFLS) 與開(kāi)路電壓 (Voc) 的不匹配,并將其 Voc 提升至 1.36 V,進(jìn)而實(shí)現(xiàn) 18.3% 的高效率,并應(yīng)用于鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池 (TSC),最終實(shí)現(xiàn) 26.4% 的高轉(zhuǎn)換效率 (經(jīng)認(rèn)證為 25.7%)


研究團(tuán)隊(duì)

作者:

作者背景:


研究背景

近年來(lái),鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池 (TSCs) 因其良好的穩(wěn)定性和潛在的高功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 而備受關(guān)注。然而,寬帶隙 (WBG) 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (pero-SC) 通常比常規(guī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出更高的電壓損耗,這限制了 TSCs 的性能提升。其中一個(gè)主要障礙來(lái)自于鈣鈦礦/C60 界面上的界面復(fù)合,因此開(kāi)發(fā)有效的表面鈍化策略對(duì)于追求更高效率的鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池至關(guān)重要。

過(guò)去的研究表明,龐大的陽(yáng)離子,如環(huán)狀或芳香族雙銨陽(yáng)離子,已被廣泛應(yīng)用于 3D 鈣鈦礦薄膜表面作為鈣鈦礦的表面鈍化劑或 Dion-Jacobson (DJ) 2D 鈣鈦礦的組成部分。然而,在某些雙銨陽(yáng)離子中可能存在異構(gòu)分子結(jié)構(gòu),其鈍化效果有待進(jìn)一步探討和研究研究發(fā)現(xiàn),官能團(tuán)(如銨和氟原子)的取代位置在決定電子云和分子內(nèi)偶極子的分布方面起著重要作用,這可能會(huì)導(dǎo)致與 3D 鈣鈦礦薄膜表面相互作用的動(dòng)力學(xué)不同。最重要的是,順?lè)串悩?gòu)現(xiàn)象提供了分子構(gòu)型剛性的優(yōu)勢(shì),有效地從分子水平上維持了鈍化劑的大偶極矩。


解決方案

為了解決寬帶隙鈣鈦礦/C60 界面復(fù)合導(dǎo)致電壓損耗的問(wèn)題,本研究提出了一種利用異構(gòu)雙銨鹽進(jìn)行表面鈍化的新策略。研究人員選擇了環(huán)己烷-1,4-二銨二碘化物 (CyDAI2) 作為鈍化劑,其自然包含兩種異構(gòu)體結(jié)構(gòu):順式-CyDAI2 (cis-CyDAI2) 和反式-CyDAI2 (trans-CyDAI2),其銨基分別位于環(huán)己烷環(huán)的同一側(cè)和相反側(cè) (如圖1a所示)。

通過(guò)比較這兩種異構(gòu)體對(duì)寬帶隙鈣鈦礦薄膜表面鈍化效果的差異,研究人員期望找到抑制界面復(fù)合、提高開(kāi)路電壓增強(qiáng)器件穩(wěn)定性的最佳方法。


實(shí)驗(yàn)過(guò)程與步驟

1. 材料合成:

2. 器件制備:

1.png


2.jpg


研究成果表征

本研究使用了多種表征手段來(lái)探究 cis-CyDAI2 trans-CyDAI2 鈍化劑對(duì)寬帶隙鈣鈦礦薄膜和器件性能的影響,特別關(guān)注 Enlitech 光焱科技生產(chǎn)設(shè)備可量測(cè)的參數(shù),如太陽(yáng)光模擬器、量子效率測(cè)量?jī)x、Voc 損耗分析QFLS、PLQY、EL-EQE、TPC/TPV 檢測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域。


3.png

(1) 光伏性能表征

(2) Voc 損耗分析和 QFLS 表征

(3) 其他表征

除了上述與 Enlitech 光焱科技 產(chǎn)品直接相關(guān)的表征手段外,本研究還使用了以下表征手段來(lái)分析材料和器件的特性:


提高鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池性能的關(guān)鍵策略

通過(guò)異構(gòu)雙銨鹽鈍化策略,尤其是 cis-CyDAI2 鈍化處理,可以顯著提高寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能,并最終實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池。 其關(guān)鍵策略包括:

(1) 抑制界面復(fù)合

(2) 降低缺陷密度

(3) 減少移動(dòng)離子密度

(4) 優(yōu)化能級(jí)匹配


鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池的未來(lái)展望

本研究為開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池提供了一種新的思路,即通過(guò)異構(gòu)雙銨鹽鈍化策略來(lái)優(yōu)化界面和薄膜質(zhì)量。 未來(lái),可以進(jìn)一步研究其他異構(gòu)雙銨鹽鈍化劑,并結(jié)合其他界面工程策略,以期進(jìn)一步提高鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池的性能。



文獻(xiàn)參考自NATURE_DOI: 10.1038/s41586-024-08160-y

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