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孟磊團隊:異構雙銨鹽鈍化助力鈣鈦礦電池效率超26%

發(fā)表時間:2024/10/21 14:25:45

研究成就與看點

本研究的主要亮點在于利用異構雙銨鹽鈍化劑 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能電池 (pero-SC) 的準費米能級分裂 (QFLS) 與開路電壓 (Voc) 的不匹配,并將其 Voc 提升至 1.36 V,進而實現(xiàn) 18.3% 的高效率,并應用于鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池 (TSC),最終實現(xiàn) 26.4% 的高轉換效率 (經(jīng)認證為 25.7%)


研究團隊

作者:

作者背景:


研究背景

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

過去的研究表明,龐大的陽離子,如環(huán)狀或芳香族雙銨陽離子,已被廣泛應用于 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,在某些雙銨陽離子中可能存在異構分子結構,其鈍化效果有待進一步探討和研究研究發(fā)現(xiàn),官能團(如銨和氟原子)的取代位置在決定電子云和分子內偶極子的分布方面起著重要作用,這可能會導致與 3D 鈣鈦礦薄膜表面相互作用的動力學不同。最重要的是,順反異構現(xiàn)象提供了分子構型剛性的優(yōu)勢,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 界面復合導致電壓損耗的問題,本研究提出了一種利用異構雙銨鹽進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體結構:順式-CyDAI2 (cis-CyDAI2) 和反式-CyDAI2 (trans-CyDAI2),其銨基分別位于環(huán)己烷環(huán)的同一側和相反側 (如圖1a所示)。

通過比較這兩種異構體對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合、提高開路電壓增強器件穩(wěn)定性的最佳方法。


實驗過程與步驟

1. 材料合成:

2. 器件制備:

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2.jpg


研究成果表征

本研究使用了多種表征手段來探究 cis-CyDAI2 trans-CyDAI2 鈍化劑對寬帶隙鈣鈦礦薄膜和器件性能的影響,特別關注 Enlitech 光焱科技生產設備可量測的參數(shù),如太陽光模擬器、量子效率測量儀、Voc 損耗分析QFLS、PLQYEL-EQE、TPC/TPV 檢測等相關領域。


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(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 產品直接相關的表征手段外,本研究還使用了以下表征手段來分析材料和器件的特性:


提高鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池性能的關鍵策略

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

(1) 抑制界面復合

(2) 降低缺陷密度

(3) 減少移動離子密度

(4) 優(yōu)化能級匹配


鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池的未來展望

本研究為開發(fā)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池提供了一種新的思路,即通過異構雙銨鹽鈍化策略來優(yōu)化界面和薄膜質量。 未來,可以進一步研究其他異構雙銨鹽鈍化劑,并結合其他界面工程策略,以期進一步提高鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池的性能。



文獻參考自NATURE_DOI: 10.1038/s41586-024-08160-y

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