研究成就與看點(diǎn)
本研究成功開發(fā)了一種名為「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL) 的新型界面層，應(yīng)用于廣帶隙 (WBG) 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSC)，有效提升了組件性能，特別是在平方公分規(guī)模的電池上。
TTDL由 F-PEA 和 CF3-PA 混合而成，其中 F-PEA 形成二維鈣鈦礦，降低接觸損耗并提升均勻性，而 CF3-PA 則增強(qiáng)電荷提取和傳輸。
藉由 TTDL 的引入，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了 1.77-eV WBG PSC 在平方公分規(guī)模下高達(dá) 1.35 V 的開路電壓和 20.5% 的效率。
將此 WBG PSC 與窄帶隙 (NBG) 鈣鈦礦子電池堆棧，研究團(tuán)隊(duì)制造出 1.05 平方公分的全鈣鈦礦串聯(lián)電池，效率高達(dá) 28.5%（認(rèn)證效率為 28.2%），創(chuàng)下目前所有報(bào)導(dǎo)中的最高紀(jì)錄。
本研究突出了處理頂部鈣鈦礦/電子傳輸層 (ETL) 接觸面對(duì)于提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池規(guī)模化的重要性。
研究團(tuán)隊(duì)
作者:這篇關(guān)于全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池的文章是由一個(gè)大型國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)共同撰寫的，主要通訊作者包括：
譚海仁 (Hairen Tan)：來自中國(guó)南京大學(xué)
Samuel D. Stranks：來自英國(guó)劍橋大學(xué)
Lijun Zhang：來自中國(guó)吉林大學(xué)
第二部分：研究背景
近年來，窄帶隙和寬帶隙（分別簡(jiǎn)稱NBG和WBG）鈣鈦礦材料的進(jìn)展促進(jìn)了串聯(lián)器件的發(fā)展，包括小面積（約0.1 cm2有效面積）的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池，其最佳認(rèn)證功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）超過28%。1 然而，有效面積≥1 cm2的全鈣鈦礦串聯(lián)器件的認(rèn)證PCE僅為26.4%。 WBG鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍有很大的改進(jìn)空間，特別是對(duì)于大面積器件。
第三部分：解決方案與實(shí)驗(yàn)過程
解決方案
本研究發(fā)現(xiàn) C60 的沉積不僅會(huì)在界面處引入高密度的缺陷，還會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦表面靜電勢(shì)不均勻，從而導(dǎo)致器件性能不均勻。為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的方法，即在界面處引入 F-PEA 和 CF3-PA 的混合物，形成「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL)。
F-PEA 會(huì)在表面形成二維鈣鈦礦，減少接觸損耗并提高均勻性。
CF3-PA 則增強(qiáng)電荷提取和傳輸。
實(shí)驗(yàn)過程與步驟
材料制備:
本研究中使用的所有材料均為市售產(chǎn)品，未經(jīng)進(jìn)一步純化。
研究人員根據(jù)文獻(xiàn)中提供的配方，制備了廣帶隙 (WBG) 和窄帶隙 (NBG) 鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。
F-PEACl 和 CF3-PACl 分子分別溶解于異丙醇 (IPA) 中，制備成濃縮溶液，再用 IPA 稀釋至所需濃度。
EDAI2 分子也溶解于 IPA 中，制備成所需濃度的溶液。
2. 組件制備:
在 ITO 玻璃基板上依次沉積 NiOx、SAM 和鈣鈦礦層。
鈣鈦礦層采用兩步旋涂法沉積，并使用茴香醚作為反溶劑。
將插入層溶液滴加到沉積的鈣鈦礦薄膜上，旋涂后進(jìn)行退火處理。
然后通過熱蒸發(fā)依次沉積 C60、SnO2 和 Cu，形成 WBG PSC。
對(duì)于串聯(lián)電池，先制備 WBG 子電池，然后在 WBG 子電池上通過熱蒸發(fā)沉積 Au 簇層、旋涂 PEDOT: PSS 層，再沉積 NBG 鈣鈦礦層。
最后通過熱蒸發(fā)沉積 C60 和 Au，形成完整的串聯(lián)電池。
3. 制備過程中發(fā)現(xiàn):
使用茴香醚作為反溶劑，可以改善 WBG 鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度和均勻性。
引入 CF3-PA 會(huì)破壞二維鈣鈦礦的生長(zhǎng)。
F-PEA 和 CF3-PA 陽(yáng)離子會(huì)優(yōu)先聚集在鈣鈦礦薄膜的表面。
第四部分：研究成果表征
本研究采用了多種表征手段來分析 TTDL 的形成機(jī)制和功能，以及 TTDL 對(duì) WBG PSC 和全鈣鈦礦串聯(lián)電池性能的影響。
l 太陽(yáng)能電池的J-V特性測(cè)量: 文獻(xiàn)中提到，使用光焱科技的太陽(yáng)光模擬器在 100 mW cm-2 的光強(qiáng)度下測(cè)量單結(jié)和串聯(lián)太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓 (J-V) 特性。
圖 3b:展示了 1.05 cm2 控制組、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太陽(yáng)能電池的 J-V 曲線。從圖中可以清楚地看到 TTDL 器件在開路電壓 (VOC) 和填充因子 (FF) 上的提升。
圖 3d: 展示了 TTDL WBG 太陽(yáng)能電池 (有效面積 1.05 cm2) 的 J-V 曲線，并標(biāo)示了正向和反向掃描的結(jié)果。
l 圖 4b: 展示了 26 個(gè)最佳性能串聯(lián)器件的 J-V 曲線，并包含正向和反向掃描的結(jié)果，顯示器件幾乎沒有遲滯現(xiàn)象。
· 光致發(fā)光 (PL)：
團(tuán)隊(duì)利用 PL來研究 WBG 鈣鈦礦薄膜的均勻性和 C60 沉積對(duì)薄膜表面的影響。通過比較沉積 C60 前后薄膜的 PL 強(qiáng)度分布，作者發(fā)現(xiàn) C60 的沉積會(huì)導(dǎo)致薄膜表面缺陷密度的增加和靜電勢(shì)的不均勻分布，進(jìn)而影響器件性能的均勻性。
圖 1a: 展示了沉積 C60 前后，玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦薄膜的 PL 顯微鏡圖像和直方圖。從圖中可以清楚地看到，沉積 C60 后，PL 強(qiáng)度下降，且 PL 強(qiáng)度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差 (σ) 增加，表明 C60 的沉積導(dǎo)致了薄膜表面缺陷密度的增加和靜電勢(shì)的不均勻分布。
圖 1b: 展示了不同插入層對(duì)玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦/插入層/C60 薄膜堆棧結(jié)構(gòu)的 PL 映像圖像的影響。通過比較不同插入層的 PL 圖像，可以直觀地觀察到 TTDL 處理后的薄膜具有最高的 PL 強(qiáng)度和最佳的均勻性。
圖 1e: 展示了沉積 C60 前后，玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦/TTDL 薄膜的 PL 顯微鏡圖像和直方圖。與圖 1a 的結(jié)果相比，使用 TTDL 后，沉積 C60 后的 PL 強(qiáng)度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差 (σ) 幾乎沒有變化，表明 TTDL 能有效抑制 C60 沉積對(duì)薄膜均勻性的影響。
補(bǔ)充圖 7 和 8: 提供了更多不同區(qū)域的 PL 顯微鏡圖像和直方圖，進(jìn)一步左證了 C60 沉積對(duì)薄膜均勻性的影響，以及 TTDL 在抑制這種影響方面的效果。
EL-EQE: 本研究使用 EL-EQE 系統(tǒng)測(cè)量了 WBG 和 NBG 單結(jié)器件以及串聯(lián)器件中子電池的 EL-EQE，并計(jì)算出相應(yīng)的 QFLSEL。
JSC、EQE 的分析
圖 1c 展示了具有不同插入層的 1.05 平方公分 WBG PSC 的 EQE 光譜。TTDL 鈣鈦礦表現(xiàn)出最高的 JSC (18.4 mA/cm2)。
圖 3a 比較了在相同批次中制備的控制組、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太陽(yáng)能電池（1.05 平方公分，每種類型 15 個(gè)器件）的光伏性能。TTDL 器件的平均 PCE 為 18.8 ± 0.7%，平均 Voc 為 1.33 V。
圖 3b 展示了最佳 1.05 平方公分控制組、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太陽(yáng)能電池的 J-V 曲線。
圖 3d 和 3e 分別展示了最佳 TTDL WBG 太陽(yáng)能電池（有效面積 1.05 平方公分）的 J-V 曲線和 EQE 光譜。最佳 TTDL 器件在反向掃描下表現(xiàn)出 20.4% 的 PCE (Voc = 1.35 V，Jsc = 18.4 mA/cm2，FF = 82.1%)。EQE 光譜的積分 JSC 值為 18.6 mA/cm2，與 J-V 特性吻合良好。
表 1 列出了最佳鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（有效面積 1.05 平方公分）的光伏參數(shù)。
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并繪制成2D或3D顯示圖-稱為原位時(shí)間解析PL光譜圖。
其他表征
掠入射廣角X射線散射 (GIWAXS): 圖 2a 展示了控制組、F-PEA 和 TTDL 鈣鈦礦薄膜的 GIWAXS 圖譜。結(jié)果顯示，與 F-PEA 薄膜相比，TTDL 薄膜中二維鈣鈦礦的衍射峰減弱，表明 CF3-PA 的引入會(huì)破壞二維鈣鈦礦的生長(zhǎng)。
X射線光電子能譜 (XPS): 研究人員利用 XPS 分析了處理過的鈣鈦礦表面。在 686.6 eV 和 687.4eV 處的 F1S 信號(hào)分別表明 F-PEA 和 CF3-PA 存在于鈣鈦礦樣品中。
深度剖析掃描電子顯微鏡 (SEM): 圖 4a 展示了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池的橫截面 SEM 圖像。
光譜密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算: 研究人員進(jìn)行了第一性原理計(jì)算，以研究 CF3-PA 對(duì) F-PEA 基二維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和電子特性的影響。他們發(fā)現(xiàn) CF3-PA 的引入會(huì)導(dǎo)致二維鈣鈦礦中 CBM 向下移動(dòng)。此外，計(jì)算出的缺陷形成能表明，基于 F-PEA 的二維鈣鈦礦在抑制界面缺陷形成方面發(fā)揮著重要作用。
圖 2e 展示了計(jì)算得到的 F-PEA 基二維鈣鈦礦和 TTDL 部分區(qū)域中可能的分子排列的電子波函數(shù)分布，即在 CBM 以上 0.3 eV 能量范圍內(nèi)積分的局部電荷密度。
圖 2f 和 2g 分別顯示了具有不同點(diǎn)缺陷的 3D 鈣鈦礦/C60 和 2D 鈣鈦礦/C60 界面的計(jì)算態(tài)密度 (DOS) 和 C60 的吸附能。
第五部分：研究成果
本研究成功開發(fā)了一種名為「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL) 的新型界面層，應(yīng)用于廣帶隙 (WBG) 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSC)，有效提升了組件性能，特別是在平方公分規(guī)模的電池上 。通過在 WBG 鈣鈦礦和 C60 電子傳輸層之間引入 TTDL，研究團(tuán)隊(duì)成功地解決了 C60 沉積導(dǎo)致的界面缺陷和靜電勢(shì)不均勻問題，從而顯著提高了 WBG PSC 的效率和均勻性。
TTDL 的主要研究成果如下：
顯著提高了 WBG PSC 的性能: 藉由 TTDL 的引入，1.77-eV WBG PSC 在平方公分規(guī)模下實(shí)現(xiàn)了 1.35 V 的高開路電壓和 20.5% 的效率。與未經(jīng)處理的控制組器件相比，TTDL 器件的平均 PCE 提高了 1.7%，平均 Voc 提高了 40 mV 。
提升了 WBG PSC 的均勻性: TTDL 中的 F-PEA 可以形成二維鈣鈦礦，有效地鈍化了鈣鈦礦/C60 界面，減少了缺陷密度，并改善了界面處的靜電勢(shì)分布。 PL 顯微鏡圖像顯示，TTDL 器件的 PL 強(qiáng)度分布更加均勻，標(biāo)準(zhǔn)偏差從控制組樣品的 5.2% 降低到 3.4%。
增強(qiáng)了電荷提取和傳輸: TTDL 中的 CF3-PA 可以降低二維鈣鈦礦的導(dǎo)帶最小值 (CBM)，改善了鈣鈦礦和 C60 之間的能級(jí)匹配，從而增強(qiáng)了電荷提取和傳輸。 瞬態(tài)光致發(fā)光 (TRPL) 研究表明，與控制組器件相比，TTDL 器件的載流子壽命更長(zhǎng)，表明界面電荷復(fù)合得到了抑制。
實(shí)現(xiàn)了高效的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池: 將 TTDL WBG PSC 與 1.25-eV NBG PSC 堆棧，研究團(tuán)隊(duì)制造出 1.05 平方公分的全鈣鈦礦串聯(lián)電池，效率高達(dá) 28.5%（認(rèn)證效率為 28.2%），創(chuàng)下目前所有報(bào)導(dǎo)中的最高紀(jì)錄。
本研究的主要貢獻(xiàn)在于開發(fā)了一種簡(jiǎn)單有效的界面工程策略，可以顯著提高 WBG PSC 的性能和均勻性，為大規(guī)模制造高效穩(wěn)定的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池提供了新的思路。
文獻(xiàn)參考自NATURE_DOI: 10.1038/s41586-024-08158-6
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