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SCI. 新型空穴传输层材料，强化钙钛矿太阳能电池长期稳定性
2024/06/20 11:30
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方案摘要：
产品配置单：
光焱科技AAA级SS-X太阳光模拟器
型号： SS-X
产地： 上海
品牌： 光焱科技
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方案详情：
钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 凭借其高效率、低成本和可印刷性等优势，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。然而，PSCs 在实际户外应用中面临着紫外线 (UV) 辐射带来的严峻挑战。
为了解决这一问题，美国北卡罗来纳大学教堂山分校的 Jinsong Huang 教授团队在 Science 期刊发表了最新研究成果，他们通过开发一种新型的强键合空穴传输层 (HTL) 材料，有效地抑制了 钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的紫外线降解，并显著提高了器件的长期稳定性。
紫外线辐射的影响效率
钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的效率近年来不断攀升，突破了 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。在实际应用中，PSCs 暴露在阳光照射下，会受到紫外线辐射的影响，导致器件性能下降。紫外线辐射会导致 PSCs 的多种降解问题，例如：
l 钙钛矿材料的分解： 紫外线辐射可以导致钙钛矿材料分解，形成缺陷，降低器件效率。
l 空穴传输层 (HTL) 的降解： 紫外线辐射可以加速 HTL 的降解，降低器件的空穴提取效率，影响器件性能。
l 界面处的化学反应： 紫外线辐射会导致钙钛矿和 HTL 之间发生化学反应，改变器件的界面性质，降低器件的稳定性。
为了解决这些问题，研究人员一直在探索各种策略，例如开发新型的 HTL 材料和界面工程技术。空穴传输层 (HTL) 的研究手法自光伏技术兴起以来经历了多個阶段。以下是 HTL 研究的主要历史发展：
早期研究 (2000 年代初期):
l 有机材料: 早期 HTL 研究主要集中在有机材料上，如 PEDOT，因其良好的导电性和与有机光伏材料的相容性。然而，这些材料在稳定性和制造成本上存在挑战。
l 金屬氧化物: 同时，也有一些研究开始探索无机金属氧化物，如 NiO 和 CuI，这些材料具有更高的稳定性和更好的能级匹配特性。
中期研究 (2010 年代):
l 混合材料: 为了兼顾有机和无机材料的优势，研究者开始探索有机-无机混合材料的 HTL，例如氧化石墨烯掺杂的 PEDOT。
l 新型有机材料: 同时，新的有机材料如 PTAA (聚三苯胺) 被引入，展示出更好的性能和稳定性。
近年研究 (2020 年至今):
l 工程化表面处理: 近年来，研究者更多地关注于通过工程化手段改进 HTL 的界面特性，例如表面修饰和分子工程。
l 新型无机材料: 研究者持续探索新型无机材料，如掺杂金属氧化物和二维材料，以提高 HTL 的性能和稳定性。
l 多功能层设计: 最新的研究开始考虑 HTL 的多功能设计，不仅是空穴传输，还包括阻隔水氧、增强界面粘附等功能。
解决紫外线降解成果简介：
该研究团队开发了一种新型的强键合 HTL 材料，即 [2-(9-乙基-9H-咔唑-3-yl) 乙基] 膦酸 (EtCz3EPA)。EtCz3EPA 具有以下特点：
l 强键合能力： EtCz3EPA 的膦酸基团可以与透明导电氧化物 (TCO) 表面形成强烈的化学键，而其氮原子可以与钙钛矿中的铅原子形成配位键，从而在钙钛矿/HTL/TCO 界面形成牢固的化学连接，有效抑制界面缺陷的形成。
l 良好的空穴提取性能： EtCz3EPA 具有良好的空穴提取性能，可以有效地将空穴从钙钛矿层中提取出来，并传输到正极，提高器件的效率。
研究人员将 EtCz3EPA 与传统的 HTL 材料 (例如 PTAA) 结合，制备了新型的混合 HTL 材料，并对其在 PSCs 中的性能进行了测试。
研究结果
l 提高器件效率： 与传统的 HTL 材料 (例如 PTAA) 相比，使用 EtCz3EPA 或 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 的器件展现出更高的效率，且在紫外线照射下依然保持着较高的性能。
l 增强器件稳定性： EtCz3EPA 或 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 可以有效地抑制紫外线引起的钙钛矿分解和 HTL 降解，提高器件的稳定性。经过 29 周的户外测试，基于 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 的 PSCs 模块仍然能保持超过 16% 的效率，展现出优异的稳定性。
研究人员利用各种表征手段，例如 SEM、XPS、AFM、TRPL、GIXRD、TAS 和 DLCP 等，对器件的结构、形貌、光电特性、稳定性和缺陷进行了分析。实验结果表明，EtCz3EPA 能够有效地钝化界面缺陷，降低非辐射复合，并抑制钙钛矿中 A 位阳离子的迁移。此外，EtCz3EPA 还能够增强钙钛矿薄膜的结晶质量，提高器件的效率和稳定性。
结论与展望
该研究团队通过开发强键合空穴传输层材料 EtCz3EPA，有效地抑制了 PSCs 的紫外线降解，并显著提高了器件的长期稳定性。该研究结果为制备高效稳定的 PSCs 提供了新的思路，并为 PSCs 的实际应用，尤其是户外应用开辟了新的道路。
未来，可以通过进一步优化 HTL 材料的设计，以及结合其他界面工程策略，进一步提升 PSCs 的性能，例如：
l 探索其他强键合 HTL 材料，以进一步提升器件的效率和稳定性。
l 研究不同材料组合和界面修饰策略，以实现更高效的电荷传输和更稳定的器件。
l 开发具有更高透明度和更低成本的 HTL 材料，以满足大规模产业化应用的需求。
相信随着研究的深入，PSCs 的效率和稳定性将会得到进一步提升，并进而向未来产业化应用迈进，为全球能源转型贡献力量。
参考文献: Strong-bonding hole-transport layers reduce ultraviolet degradation of perovskite solar cells Nat. Energy (2024). sCIENCE_ DOI: 10.1126/science.adi4531
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