22.09% PCE 倒置鈣鈦礦! 羥基化NFA如何發(fā)揮作用?

Energy & Environmental Science (IF 38.532) 在近期發(fā)表一項(xiàng)研究，探討可用于倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的羥基化非富勒烯受體，并達(dá)成 22.09% 高效率。在過(guò)去十年中，有機(jī)-無(wú)機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSC) 引發(fā)了廣泛的研究，功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 也接連提高。與傳統(tǒng) n-i-p 結(jié)構(gòu)的 PSC 相比，倒置 p-i-n 結(jié)構(gòu)的 PSC (i-PSC) 表現(xiàn)出可忽略不計(jì)的遲滯現(xiàn)象和可用于構(gòu)建串聯(lián)太陽(yáng)能電池的潛力。但是，由于缺陷態(tài)的非輻射復(fù)合和電子傳輸層的能量不匹配，i-PSC 的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 仍然落后于傳統(tǒng)電池。

在此研究中，為同時(shí)減少缺陷和改善電子傳輸，研究團(tuán)隊(duì)使用羥基化非富勒烯受體 NFA (稱為 IT-DOH) 來(lái)修飾鈣鈦礦和電子傳輸層 (ETL) 間的界面。IT-DOH 分子主要分布在晶粒邊界處，并以三種方式起作用：

第一，與參考分子 ITIC 相比，除了 -CN 和 -C=O 基團(tuán)外，額外的 -OH 還可以與 Pb2+ 進(jìn)一步鈍化鈣鈦礦薄膜的缺陷，并更有效地抑制非輻射復(fù)合。

第二，ITDOH 的 LUMO 能級(jí)形成級(jí)聯(lián)能級(jí)排列，并促進(jìn)電子提取。

第三，由于分子間氫鍵相互作用引起的共軛面拉長(zhǎng)，IT-DOH 分子呈現(xiàn)出長(zhǎng)程有序的分子排列和正面取向，有利于電子從鈣鈦礦傳輸?shù)?ETL。

通過(guò)光焱科技太陽(yáng)光模擬器進(jìn)行電流密度-電壓 (J?V) 量測(cè)、正向掃描和反向掃描，并以光焱科技 QE-R 量子效率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行外部量子效率 (EQE) 檢測(cè)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng) IT-DOH 處理的 i-PSC 在實(shí)現(xiàn)了 22.09% 的 PCE，是目前已發(fā)表有關(guān) NFA i-PSC 論文中的最高值。此研究也證實(shí) NFA 分子的羥基化對(duì)于減少缺陷和改善電子提取/傳輸非常重要。

光焱科技量子效率測(cè)量系統(tǒng)除了用于太陽(yáng)能電池的 EQE (External Quantum Efficiency) 光譜分析，同時(shí)對(duì)于太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)光模擬器下的短路電流，也提供了Jsc (short-circuit current density) 的比對(duì)，以證明實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。此外，光焱科技的SS系列太陽(yáng)光模擬器與 KA-6000 軟件，也同時(shí)提供了短路電流對(duì)時(shí)間變化的監(jiān)控，以證明太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。

圖表解析

IT-DOH的化學(xué)結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦薄膜的沉積過(guò)程。

CsFAMA PSC 的 EQE 曲線和 Jsc。

反向和正向掃描的 J-V 曲線，包含 IT-DOH 處理的 (a) CsFAMA 鈣鈦礦和 (b) CsFA 鈣鈦礦。

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