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摘要
韓國蔚山科學技術院 (UNIST) 的 Sang Kyu Kwak 教授和 Changduk Yang 教授團隊在 Science 期刊發表最新研究成果，開發出兩種氟化 Spiro-OMeTAD 異構體 (Spiro-mF 和 Spiro-oF) 作為空穴傳輸材料 (HTM)，用于制備高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)。基于 Spiro-mF 的器件實現了 24.82% 的高效率 (認證效率 24.64%)，電壓損失僅為 0.3 V，并在高濕度環境下展現出優異的長期穩定性。
本研究使用設備
光焱科技
REPS鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統
研究背景
近年來，鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 因其高效率、低成本等優勢，成為光伏領域的研究熱點。PSCs 的效率不斷攀升，認證效率已超過 25%。然而，PSCs 的長期穩定性仍然是制約其商業化應用的關鍵瓶頸。
目前應用廣泛的 PSCs 空穴傳輸材料 (HTM) 是 Spiro-OMeTAD。Spiro-OMeTAD 需要摻雜才能實現高效的空穴提取和足夠的電導率，但常用的摻雜劑具有吸濕性，會影響器件的穩定性。因此，開發新型 HTM 材料，特別是具有高效率和良好穩定性的無摻雜 HTM，對于推動 PSCs 的商業化應用至關重要。
研究方法
該研究采用分子設計策略，通過氟化 Spiro-OMeTAD 合成了兩種新型 HTM 材料：Spiro-mF 和 Spiro-oF。研究人員利用核磁共振光譜 (NMR)、差示掃描量熱法 (DSC)、紫外-可見吸收光譜、循環伏安法 (CV)、密度泛函理論 (DFT) 計算等手段對 Spiro-mF 和 Spiro-oF 的分子結構、光電性質和能級結構進行了表征。
隨后，研究人員制備了基于 Spiro-OMeTAD、Spiro-mF 和 Spiro-oF 的 PSCs，并利用太陽光模擬器、量子效率測試系統、穩態/時間分辨光致發光光譜儀、電化學阻抗譜儀等設備對器件的性能進行了測試。此外，研究人員還利用分子動力學 (MD) 模擬研究了 Spiro-mF 和 Spiro-oF 在鈣鈦礦表面的吸附行為。
研究結果與討論
研究結果表明，氟化可以降低 Spiro-OMeTAD 的 HOMO 和 LUMO 能級，并拓寬其光學帶隙，有利于提高器件的開路電壓 (Voc) 和短路電流密度 (Jsc)。此外，氟化還能增強 HTM 的疏水性，提高器件的耐濕性。
基于 Spiro-mF 的 PSCs 實現了 24.82% 的高效率 (認證效率 24.64%)，電壓損失僅為 0.3 V，是目前報道的 PSCs 中低的電壓損失。這表明 Spiro-mF 能夠有效地提取空穴并抑制非輻射復合。
此外，Spiro-mF 基器件還展現出優異的穩定性。在 50% 相對濕度環境下，未封裝的 Spiro-mF 基器件在 500 小時后仍能保持 87% 的初始效率，而 Spiro-OMeTAD 基器件的效率則下降到 60%。
分子動力學模擬結果表明，Spiro-mF 比 Spiro-oF 和 Spiro-OMeTAD 更容易吸附在鈣鈦礦表面，并且其芴單元更容易與鈣鈦礦表面接觸。Spiro-mF 在鈣鈦礦表面形成層狀堆積結構，空穴傳輸積分更高，更有利于空穴傳輸。
結論與展望
該研究開發的氟化 Spiro-OMeTAD 異構體為制備高效穩定的 PSCs 提供了一種 promising 的策略。Spiro-mF 基器件展現出優異的效率和穩定性，并具有較低的電壓損失，為 PSCs 的產業化應用提供了新的思路。
未來，可以通過進一步優化材料設計和器件結構，例如：
探索其他氟化位點和氟原子數量對 HTM 性能的影響。
開發新型無摻雜 HTM 材料，進一步提高器件穩定性。
優化鈣鈦礦/HTM 界面，提高電荷提取效率和抑制界面復合。
相信隨著研究的深入，PSCs 的性能將會進一步提升，其商業化應用前景也將更加光明。
本文參數圖:
原文出處: SCIENCE 25 Sep 2020 DOI: 10.1126/science.abb7167
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