近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和低成本優(yōu)勢(shì)， 成為備受關(guān)注的下一代光伏技術(shù)。 但是， 鈣鈦礦材料本身存在著一些固有的問(wèn)題， 例如界面缺陷、 載流子復(fù)合以及環(huán)境不穩(wěn)定性等， 這些問(wèn)題阻礙了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池走向大規(guī)模應(yīng)用。

為了解決這些問(wèn)題， 科學(xué)家們一直在探索新的材料和技術(shù)， 其中一項(xiàng)重要的研究方向是通過(guò)對(duì)器件的界面進(jìn)行優(yōu)化， 抑制非輻射復(fù)合過(guò)程， 提升器件的穩(wěn)定性和效率。

近期， 河南大學(xué)李萌教授團(tuán)隊(duì) 在 Advanced Materials 期刊上發(fā)表了一篇重磅研究成果。 他們通過(guò)將多功能偶極分子 tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium (TFHSP)應(yīng)用于反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池， 有效抑制了鈣鈦礦/電子傳輸層 (ETL) 界面的非輻射復(fù)合損失， 最終實(shí)現(xiàn)了電池效率和穩(wěn)定性的顯著提升。

【多功能偶極分子 TFHSP： 巧妙解決界面難題】

這項(xiàng)研究中使用的 TFHSP (Trifluoromethylsulfonyl Pyrrole，三氟甲磺基吡咯) 是一種多功能的偶極分子， 在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的界面工程中具有重要的影響， 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

l  界面修飾: TFHSP 分子由于其偶極特性， 可以有效修飾鈣鈦礦與電極之間的界面， 改善界面的接觸性質(zhì)， 從而減少界面處的缺陷和非輻射復(fù)合， 提高載流子的分離和傳輸效率。

l  能級(jí)匹配: TFHSP 分子可以調(diào)控界面能級(jí)， 使鈣鈦礦層與電極之間形成更好的能級(jí)匹配， 降低界面處的能量勢(shì)壘， 從而有助于電子或空穴的注入或提取， 提升光電轉(zhuǎn)換效率。

l  界面鈍化: TFHSP 分子具有良好的鈍化作用， 可以有效鈍化鈣鈦礦表面的缺陷態(tài)， 減少界面復(fù)合中心的數(shù)量， 降低非輻射復(fù)合損失， 提高開路電壓和填充因子。

l  穩(wěn)定性增強(qiáng): 由于 TFHSP 分子的存在， 可以形成更穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)， 提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性， 延長(zhǎng)器件的使用壽命。

其次， TFHSP 在鈣鈦礦和 ETL 之間形成了一個(gè)正極偶極層， 有效地優(yōu)化了能級(jí)排列， 促進(jìn)界面電荷的提取， 進(jìn)一步提高了電池效率。

最后， TFHSP 和鈣鈦礦材料之間形成的強(qiáng)相互作用可以穩(wěn)定鈣鈦礦材料的表面， 同時(shí)， TFHSP 分子中疏水的氟化部分可以防止水和氧氣進(jìn)入鈣鈦礦層， 增強(qiáng)了器件的環(huán)境穩(wěn)定性。

【效率與穩(wěn)定性顯著提升， 推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)進(jìn)步】

采用 TFHSP 改性后的反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池， 其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 24.6%。 令人驚喜的是， 該器件展現(xiàn)了穩(wěn)定性， 未封裝的器件在 60% 的相對(duì)濕度下， 放置在空氣中 1000 小時(shí)后， 仍然保持了 91% 的初始效率， 并在 35°C 條件下進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤測(cè)試（MPP）500 小時(shí)后， 效率依然保持 95%。

為了更精確地研究鈣鈦礦材料的光電轉(zhuǎn)換效率， 該團(tuán)隊(duì)還使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽(yáng)能電池量子效率光學(xué)儀 和 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級(jí)太陽(yáng)光模擬器， 分別用于測(cè)量電池在不同光譜范圍內(nèi)的外量子效率 (EQE) 和模擬真實(shí)陽(yáng)光照射條件。

這項(xiàng)研究的成功證明了， 通過(guò)采用多功能偶極分子可以有效地改善鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的界面特性， 進(jìn)而提高電池效率和穩(wěn)定性。 該研究成果為高性能、 長(zhǎng)壽命鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研發(fā)指明了新的方向。

河南大學(xué)李萌教授團(tuán)隊(duì)利用多功能偶極分子 TFHSP， 成功地改善了反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的界面性質(zhì)， 并提高了器件的效率和穩(wěn)定性。 這項(xiàng)研究充分展現(xiàn)了在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面工程中， 應(yīng)用多功能分子的潛力和優(yōu)勢(shì)。 未來(lái)， 通過(guò)不斷探索新的功能性分子和優(yōu)化界面工程技術(shù)， 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池將會(huì)展現(xiàn)更加優(yōu)異的性能， 并最終走向更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域， 推動(dòng)可再生能源技術(shù)的發(fā)展。

重要技術(shù)參數(shù)：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率: 24.6%

穩(wěn)定性: 在空氣中 (60% 濕度) 儲(chǔ)存 1000 小時(shí)后， 保持了 91% 的初始效率； 在 35 °C 條件下進(jìn)行 MPP 跟蹤測(cè)試 500 小時(shí)后， 效率依然保持 95%

關(guān)鍵技術(shù): TFHSP 多功能偶極分子界面改性

關(guān)鍵設(shè)備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽(yáng)能電池量子效率光學(xué)儀 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級(jí)太陽(yáng)光模擬器

參考文獻(xiàn)

Inhibiting Interfacial Nonradiative Recombination in Inverted Perovskite Solar Cells with a Multifunctional Molecule_ Adv.Mater, 07 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202407433

【本研究參數(shù)圖】

Fig 4. 器件光伏性能。a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖及TFHSP與鈣鈦礦的相互作用。b) 對(duì)照組和c) TFHSP組的最佳鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的J–V曲線。d) 對(duì)照組和TFHSP組的最佳鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的EQE光譜和積分JSC。e) 電荷傳輸和非輻射復(fù)合損失對(duì)對(duì)照組和TFHSP組器件填充因子的影響。

Fig 3. 鈣鈦礦薄膜/器件的光電特性。a) 處理前后器件的陷阱態(tài)密度(tDOS)光譜。b) 處理前后器件的瞬態(tài)光電壓(TPV)，τ1和τ2分別表示對(duì)照組和TFHSP處理器件的載流子復(fù)合壽命。c) 處理前后單電子器件的陷阱密度，包括歐姆區(qū)、陷阱填充極限(TFL)區(qū)和Child區(qū)。d) 處理前后器件的光強(qiáng)依賴性開路電壓(VOC)。e) 處理前后鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的暗態(tài)J–V曲線。f) 處理前后器件的電化學(xué)阻抗譜(EIS)特性。

推薦設(shè)備

1.     QE-R_光伏 / 太陽(yáng)能電池量子效率測(cè)量解決方案

具有以下特色優(yōu)勢(shì)：

高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準(zhǔn)光源，確保 EQE 測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

寬光譜范圍:QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測(cè)量。

快速測(cè)量:QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進(jìn)行 EQE 光譜測(cè)量。

易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，即使是初學(xué)者也能輕松上手。

多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行 EQE 測(cè)量，還可以進(jìn)行反射率、透射率等光學(xué)特性的測(cè)量，具有多功能性。

2.     SS-X系列_AM1.5G A+級(jí)太陽(yáng)光仿真器

AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽(yáng)光模擬器

• A+ 光譜：接近 AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜

• A+ 輻照度的時(shí)間不穩(wěn)定性

• SS-IRIS：自主研發(fā)技術(shù)自動(dòng)光強(qiáng)操控

• 適合與手套箱集成的輸出光束方向

IVS-KA6000：IV測(cè)量軟件 所有 SS-X 系列太陽(yáng)光模擬器都可以通過(guò) IVS-KA6000 軟件進(jìn)行控制，該軟件是 IV 測(cè)量軟件，可用于準(zhǔn)確的 PV 表征。不僅是光閘，輸出光輻照度也可以通過(guò) IVS-KA6000 IV 軟件進(jìn)行操控，幫助用戶輕松完成不同光強(qiáng)下復(fù)雜的 IV 測(cè)試或 Sun- Voc測(cè)試。來(lái)自 IVS-KA6000 的所有 IV 數(shù)據(jù)都可以通過(guò) IVS-KA-Viewer 讀取和分析，這是另一款多功能分析軟件。

KA-Viewer IV 分析軟件 可以大幅縮短用戶的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，并可加快整體工藝改進(jìn)研發(fā)的時(shí)程。

文獻(xiàn)參考自 Adv.Mater, 07 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202407433  

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