中科院宁波材料所葛子义团队倒置PSCs 25.15%效率

摘要

钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 因其高效率、低成本和可印刷性等优点，成为最有希望取代传统硅基太阳能电池的下一代光伏技术。近年来，钙钛矿太阳能电池 (PSCs)的效率不断攀升，已突破 25% 的瓶颈，但其长期稳定性问题仍然是阻碍其商业化应用的关键因素。

为了解决这一挑战，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的 Ziyi Ge 和 Daobin Yang 研究团队设计合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生自组装单层 (SAMs)：IDCz-1、IDCz-2 和 IDCz-3，并将其用于制备倒置钙钛矿太阳能电池 (PSCs)。通过调节 IDCz 单位的两个氮原子位置，有效地提高了分子偶极矩，并增强了 π-π 相互作用。研究人员发现，使用 IDCz-3 作为空穴收集层的倒置 钙钛矿太阳能电池 (PSCs)表现出最佳的性能，其 PCE 达到了 25.15%，创下了多足 SAMs 基 PSCs 的新纪录，并且未封装的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小时，性能几乎没有下降，展现出优异的长期稳定性。

本研究使用设备
QE-R PV/太阳能电池量子效率测量系统

研究背景与核心概念

倒置 钙钛矿太阳能电池 (PSCs)由于其结构简单、制备工艺易于控制等优点，成为目前 钙钛矿太阳能电池 (PSCs)  研究领域的热点。在倒置钙钛矿太阳能电池 (PSCs)  中，空穴传输层 (HTL) 与钙钛矿薄膜的界面起着至关重要的作用，它决定了器件的效率和稳定性。自组装单层 (SAMs) 作为一种有效的界面修饰材料，近年来在 钙钛矿太阳能电池 (PSCs)  领域得到广泛应用，它可以有效地钝化界面缺陷，降低电荷复合，并改善载流子传输性能。

然而，现有的 SAMs 通常面临着一些挑战，例如无法有效改善埋藏界面缺陷、稳定性不足等问题。为了进一步提升 钙钛矿太阳能电池 (PSCs)  的效率和稳定性，需要开发新型的 SAMs 材料，并深入研究其作用机制。

研究方法与主要发现

该研究团队设计合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑 (IDCz) 衍生 SAMs：IDCz-1、IDCz-2 和 IDCz-3。这三种分子通过调节 IDCz 单位的两个氮原子位置，有效地提高了分子偶极矩，并增强了 π-π 相互作用。

研究人员发现，通过控制分子偶极矩和能级，可以改变 FTO 电极的功函數 (WF)，从而调节钙钛矿的能带弯曲，促进空穴提取和阻挡电子。其中，使用 IDCz-3 作为空穴收集层的倒置 PSCs 表现出最佳的性能。

研究结果与讨论
研究人员通过一系列表征手段，包括 UV-Vis、XPS、KPFM、SCLC 等，对 IDCz-3 的性能进行了分析。结果表明：

提高钙钛矿薄膜质量： IDCz-3 可以有效地提高钙钛矿薄膜的质量，降低其表面粗糙度，从而减少缺陷。

降低缺陷密度： IDCz-3 可以有效地钝化钙钛矿薄膜中的缺陷，包括晶界处和表面处的缺陷，从而降低缺陷密度。

促进电荷传输： IDCz-3 可以有效地降低钙钛矿/HTL 界面的能垒，促进空穴提取，提高器件的短路电流密度 (Jsc) 和填充因子 (FF)。

抑制非辐射复合： IDCz-3 可以有效地抑制非辐射复合，提高器件的开路电压 (Voc) 和效率。

基于 IDCz-3 的倒置 PSCs 的 PCE 达到 25.15%，创下了多足 SAMs 基 PSCs 的新纪录。此外，未封装的 IDCz-3 器件可以保存至少 1800 小时，性能几乎没有下降，展现出优异的长期稳定性。

结论与展望

该研究开发的具有更大偶极矩的双膦酸锚定自组装分子，有效提升了钙钛矿太阳能电池 (PSCs)  的效率和稳定性，为钙钛矿太阳能电池 (PSCs)  的产业化应用提供了新的方向。

未来，可以通过进一步优化 SAMs 的结构和性质，例如：

合成具有更强偶极矩的分子。

优化 SAMs 的分子排列方式，以提高其钝化效果。

将 SAMs 与其他界面工程策略结合，进一步提升 PSCs 的性能。

相信随着研究的深入，钙钛矿太阳能电池 (PSCs)  的性能将会进一步提升，并最终实现产业化应用，为全球能源转型贡献力量。。

本文參數圖:

Fig S19_ J-V曲线图，分别代表基于IDCz-1、IDCz-2和IDCz-3的PSCs 。都显示了正向（Forward）和反向（Reverse）扫描的电流密度（单位为安培每平方厘米）随电压（单位为伏特）变化的曲线。
           ·  IDCz-1：正向和反向扫描曲线非常接近，表明器件性能稳定。

·  IDCz-2：同样显示出正向和反向扫描曲线重合，稳定性好。

·  IDCz-3：曲线与前两者相似，也显示出良好的重合性。

·  所有曲线在接近1.2V时电流密度迅速下降，这可能是由于达到了器件的最大功率点。曲线的形状和稳定性对于评估太阳能电池的性能非常重要。

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原文出处: Advanced Materials

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