AFM. 华中科大韩宏伟与港中大路新慧团队 p-MPSCs优化研究

摘要

可印刷介孔钙钛矿太阳能电池 (p-MPSCs) 由于其简单且经济高效的制备工艺，在实现大规模生产方面展现出巨大潜力。然而，在 p-MPSCs 中，填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔层中的钙钛矿薄膜厚度通常达到 3 μm，这使得钙钛矿的结晶过程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更复杂、更具挑战性。为了克服这一挑战，华中科技大学的 Hongwei Han 和 Xinhui Lu 研究团队在 Advanced Functional Materials 期刊上发表了一项研究成果，他们使用一种多功能氟化分子作为添加剂，有效改善了钙钛矿的结晶过程，提升了器件的效率，并增强了其工作稳定性。

本研究推荐使用设备
TPCV钙钛矿太阳能电池瞬态光电流光电压测试仪

研究背景与核心概念

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。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。

可印刷介孔钙钛矿太阳能电池 (p-MPSCs) 由于其简单的制备工艺和可扩展性，在实现大规模生产方面具有显著优势。然而，在 p-MPSCs 中，由于钙钛矿薄膜需要填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔层中，其厚度通常达到 3 μm，这使得钙钛矿的结晶过程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更复杂、更具挑战性。

研究方法与主要发现

为了解决 p-MPSCs 中的钙钛矿结晶问题，该研究团队开发了一种多功能氟化分子 (6FDA) 作为添加剂，以改善钙钛矿的结晶过程，提升器件的效率和稳定性。

6FDA 分子具有以下特点：

l缺陷钝化: 6FDA 的羰基可以与钙钛矿中的未配位 Pb2+ 形成强烈的配位作用，从而有效钝化缺陷，降低非辐射复合。

l疏水性: 6FDA 的疏水性可以提高器件的抗水性，增强其长期工作稳定性。

研究人员将 6FDA 添加到钙钛矿前驱体溶液中，并通过一系列表征手段，包括 X 射线衍射 (XRD)、扫描电子显微镜 (SEM)、X 射线光电子能谱 (XPS)、稳态/时间分辨光致发光光谱 (PL/TRPL) 等，对钙钛矿薄膜的结构、形貌和光电性能进行了分析。

为了更深入地了解 6FDA 对器件载流子动力学的影响，研究人员还进行了瞬态光电流 (TPC) 和瞬态光电压 (TPV) 测试。TPC 测量可以评估器件中载流子的传输时间，而 TPV 测量可以评估器件的光电压衰减时间，从而进一步了解载流子复合和器件稳定性。

研究结果与讨论

研究结果表明，6FDA 的添加显著提升了 p-MPSCs 的效率和稳定性：

提高器件效率: 添加 6FDA 后，钙钛矿的结晶质量得到改善，薄膜的均匀性和结晶度提高，从而提高了器件的效率。小面积器件 (0.1 cm2) 的功率转换效率 (PCE) 达到 20.15%。

增强器件稳定性: 6FDA 的疏水性可以有效地阻止水分和氧气的入侵，提高了器件的工作稳定性。未封装的器件在室温下存放超过 1000 小时后，其 PCE 仍能保持 80% 以上。

研究人员利用稳态 PL 和时间分辨 PL 证实了 6FDA 对钙钛矿薄膜的钝化作用，并通过测试器件的载流子寿命 (TRPL) 和光电压衰减 (TPV) 说明了 6FDA 对载流子复合和器件稳定性的积极影响。TPC 测试结果表明，6FDA 的添加可以有效地缩短载流子的传输时间，提高了器件的载流子传输效率。TPV 测试结果显示，添加 6FDA 后，器件的光电压衰减时间延长，说明了 6FDA 可以有效抑制载流子的复合，从而提高器件的稳定性。

结论与展望

该研究开发了一种多功能氟化分子作为添加剂，有效改善了 p-MPSCs 中钙钛矿的结晶过程，并显著提升了器件的效率和稳定性。这项研究为制备高效稳定的 p-MPSCs 提供了新的策略，并为 PSCs 的大规模产业化应用奠定了坚实的基础。

未来，可以通过进一步优化添加剂的结构和性质，以及结合其他界面工程策略，进一步提升 p-MPSCs 的性能，推动其在光伏领域的应用。


本文參數圖:

Fig. 5_ 展示了 (a) 稳态 PL 和 (b) 时间分辨 PL，以及 (c) 器件的瞬态光电压衰减曲线，分别针对添加和未添加 6FDA 的 mp-TiO2/玻璃结构的钙钛矿。其重要性: 通过 PL 光谱和光电压衰减，评估了 6FDA 对钙钛矿薄膜光致发光特性和载流子寿命的影响，并说明了 6FDA 对缺陷钝化的效果。

Fig.S6_展示了添加和未添加 6FDA 的器件的 J-V 曲线（正向扫描）。

重要性: 比较了添加 6FDA 后器件的光伏性能，以及器件的效率提升。

原文出处: ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 

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