中科院黄维院士分子锚定策略22.3%Pb-Sn钙钛矿叠层电池

光焱科技

2024/08/29 15:21

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前言

随着全球对可持续能源需求的日益增长，提高太阳能电池的效率和稳定性成为当前科研领域的重要课题。Pb-Sn钙钛矿太阳能电池因其潜在的高效率和低成本制造而备受关注。然而，这些器件的性能往往受到材料结晶质量和界面特性的限制。

中科院黄维院士与西北工业冉晨鑫团队在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202404185）中，提出了一种全新的分子锚定策略，旨在提升Pb-Sn钙钛矿太阳能电池的性能。研究团队开发了L-丙氨酸甲酯作为锚定添加剂，用以诱导垂直晶体生长，并介绍了PEA2PbI3SCN薄膜在促进埋藏界面均匀结晶中的作用。此外，乙二胺二卤化物（EDA(I/Cl)2）的后处理有助于调整薄膜表面的能级对齐。这些创新的方法共同作用下，使得Pb-Sn钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）达到了22.3%，填充因子（FF）高达82.14%。在串联器件中，结合1.78 eV宽带隙钙钛矿太阳能电池，实现了27.1%的PCE。

导读目录

前言
研究目的
研究方法
器件与表征
结论

研究目的

引导晶体垂直生长，优化载流子传输：利用分子锚定剂引导晶体垂直生长，促进结晶均匀性，减少缺陷，优化载流子传输和收集。
构建高质量埋藏界面，改善界面接触：构建高质量的埋藏界面，促进界面处晶体均匀结晶，减少缺陷密度，改善界面接触。
调整薄膜表面能级排列，提升电荷提取效率：通过后处理调整薄膜表面能级排列，进一步提升电荷提取效率，降低界面电荷复合。
探究分子锚定策略对电池稳定性和寿命的影响

研究方法

材料制备：研究团队首先制备了各种前驱体溶液，包括Pb-Sn钙钛矿、PEA2PbI3SCN和EDA(I/Cl)2等，并详细记录了制备过程。
薄膜沉积：团队使用旋涂法沉积钙钛矿薄膜，并通过热退火和使用抗溶剂来控制结晶过程。

图S19：基于三种不同薄膜的太阳能电池的PCE（能量转换效率）、FF（填充因子）、Voc（开路电压）和Jsc（短路电流密度）的分布统计，表明薄膜C的器件性能最佳。
器件制造：研究人员制作了完整的太阳能电池器件，包括ITO玻璃、PEDOT、钙钛矿活性层、PCBM、BCP和Ag电极等。

器件与表征

材料和器件表征：研究团队使用了多种表征技术来分析钙钛矿薄膜和器件的特性，包括：

动态光散射（DLS）：用来测量粒径分布。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）：分析化学组成和键合情况。
扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）：观察薄膜的表面形貌和结构。
X射线衍射（XRD）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）：分析薄膜的晶体结构和取向。
紫外-可见光谱（UV-Vis）：测量薄膜的光学性质。
光致发光谱（PL）和时间分辨光致发光谱（TRPL）：研究薄膜的发光特性和载流子动力学。
紫外光电子能谱（UPS）：分析薄膜的能级结构。
飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）：研究薄膜的元素分布。

器件性能测试：团队在N2气氛中使用Keithley 2400源表和太阳光模拟器测试了太阳能电池的性能，包括I-V特性和最大功率点追踪。
电化学阻抗谱（EIS）和外量子效率（EQE）测量：

电流-电压（J-V）特性测量： 使用 Enlitech 太阳光模拟器模拟太阳光照，测量太阳能电池的 J-V 特性曲线，计算开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）和能量转换效率（η）等关键性能参数。
外部量子效率（EQE）测量： 使用量子效率测量系统或 Enlitech QTEST HIFINITY 5 外部量子效率测量系统，评估太阳能电池在不同波长下的光电转换效率。

图S21：在有无AME两种不同条件下，基于薄膜C的太阳能电池的PCE、FF、Voc和Jsc的分布统计。结果显示，不含AME的器件性能远低于含有AME的器件，证明了AME和PEA2PbI3SCN薄膜的协同作用对于调控结晶过程和提高器件性能至关重要。

图S22：不同I/Cl比例的EDA(I/Cl)2处理后的太阳能电池的PCE、FF、Voc和Jsc的分布统计结果。通过比较器件性能，研究人员发现I和Cl的最佳比例为1.2:1，此时器件性能最佳。

电致发光（EL）测量：使用电致发光测量系统分析太阳能电池中的电荷复合和缺陷分布。

稳定性测试：在N2气氛中进行，以评估太阳能电池的长期稳定性。

结论

这项研究成功展示了利用分子锚定策略构建具有垂直均匀结晶和优化界面的 Pb-Sn 钙钛矿薄膜，有效提升了太阳能电池的性能。通过使用 L-丙氨酸甲酯、PEA2PbI3SCN 薄膜和乙二胺二卤化物后处理，制备出的 Pb-Sn 钙钛矿太阳能电池达到了 22.3% 的高功率转换效率和 82.14% 的填充因子，并在四端全钙钛矿串联器件中实现了 27.1% 的功率转换效率。这项研究证实了分子锚定策略在提升 Pb-Sn 钙钛矿太阳能电池及其串联器件性能方面的有效性，为未来高效率钙钛矿太阳能电池的发展提供了新的方向。

研究结果显示：

分子锚定策略成功促进了 Pb-Sn 钙钛矿太阳能电池的垂直均匀结晶和界面排列。
该策略有效提升了太阳能电池的开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）和能量转换效率（η）等性能参数。

图S27：控制组器件和目标器件在原始状态和T80条件下的功率转换效率（PCE）稳定性。结果显示，控制组器件的PCE随时间推移迅速下降，而目标器件的PCE则保持了较高的稳定性。这表明目标器件的开路电压（Voc）和填充因子（FF）更加稳定，这可能是由于分子锚定策略改善了钙钛矿薄膜的质量和界面特性，从而降低了电荷复合并提高了电荷传输效率。