基于共吸附自組裝單層的倒置鈣鈦礦光伏電池效率達(dá)到24.68%

中國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用共吸附方法在空穴傳輸層摻入自組裝單層，從而提高了倒置鈣鈦礦電池的效率和穩(wěn)定性。

研究中使用的空氣中刮刀涂布器件示意圖

中國(guó)研究人員成功研制出一種基于空穴傳輸層(HTL)且?guī)в凶越M裝單層(SAMs)的倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，該電池旨在削減鈍化缺陷并提升效率。

倒置鈣鈦礦電池呈現(xiàn)出 “p - i - n” 的器件結(jié)構(gòu)，其空穴選擇性接觸的 p 層處于本征鈣鈦礦層 i 的底部，而電子傳遞層的 n 層則位于鈣鈦礦層上方。傳統(tǒng)的鹵化物鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)相同，不過順序相反，是 “n - i - p” 布局。在 “n - i - p” 結(jié)構(gòu)里，太陽(yáng)能電池由電子傳輸層(ETL)一側(cè)接受照射;而在 “p - i - n” 結(jié)構(gòu)中，則是通過 HTL 表面進(jìn)行照射。

研究小組使用由2-氯-5-(三氟甲基)異煙酸制成的SAM，稱為PyCA-3F，而HTL則由 [2-(9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸(2PACz)制成。SAM應(yīng)用采用共吸附方法(CA)。它包括在有和沒有PyCA-3F的2PACz襯底上生長(zhǎng)鈣鈦礦薄膜。

該電池由氧化銦錫(ITO)、2PACz HTL、鈣鈦礦吸收層、富勒烯(C60)電子傳輸層 (ETL)、浴銅靈(BCP)緩沖層和銅金屬電極構(gòu)成。

在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下進(jìn)行測(cè)試，該器件實(shí)現(xiàn)了24.68%的“認(rèn)證”效率，而參比器件的效率為23.3%?？茖W(xué)家們沒有透露認(rèn)證該結(jié)果的第三方實(shí)體的名字。

該小組假設(shè)PyCA-3F的存在在埋藏界面處“減少物理納米空隙的發(fā)生”中起著關(guān)鍵作用?！斑@種顯著的增加是一項(xiàng)戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，有助于有效減少埋地界面的缺陷和非輻射中心，”文章指出說。

發(fā)現(xiàn)該方法有效地減少了2PACz的聚集，同時(shí)增強(qiáng)了表面光滑度并增加了改性SAM層的功函數(shù)，研究人員表示，這為鈣鈦礦提供了平坦的埋藏界面和有利的異質(zhì)界面。

為了在其他太陽(yáng)能電池技術(shù)上測(cè)試所提出的方法，科學(xué)家們還制造了基于2PACz/PYCA-3F 的有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSC)。他們使用在空氣中刀片涂布方法制造p-i-n結(jié)構(gòu)化OSC器件。所得器件的效率從17.71%到19.51% 等。性能最好的OSC基于PM1：PTQ10：m-BTP-PhC6。

研究人員指出，OSC樣品實(shí)現(xiàn)了由共吸附策略和新型小分子酸SAM鑄造的“空氣中刀片涂布的最佳結(jié)果之一”。他們還指出，該方法提高了鈣鈦礦和OSC器件的穩(wěn)定性?！敖?jīng)過 1000 小時(shí)的最大功率點(diǎn)跟蹤后，封裝的PSCs和OSCs分別保留了大約90%和80%的初始效率，”該團(tuán)隊(duì)表示，并補(bǔ)充說，最大功率點(diǎn)跟蹤結(jié)果表明的操作穩(wěn)定性強(qiáng)化了PSC和OSC技術(shù)的共吸附方法的“優(yōu)越性”。

“總之，我們的工作提出了一種簡(jiǎn)單、合理和有效的共吸附策略，以提高基于SAM的器件的性能，從而在基于p-i-n器件結(jié)構(gòu)的PSC和OSC方面實(shí)現(xiàn)效率突破，同時(shí)增強(qiáng)了操作穩(wěn)定性，”該研究小組說。

這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然通訊》上的論文“Co-adsorbed self-assembled monolayer enables high-performance perovskite and organic solar cells,”中。研究團(tuán)隊(duì)包括來自中國(guó)南方科技大學(xué)、香港理工大學(xué)(Hong Kong Polytechnic University)和香港中文大學(xué)(中大)(Chinese University of Hong Kong (CUHK))的科學(xué)家。