█ 重點摘要
最近,陜西師范大學(xué)向萬春團隊利用光焱科技公司的測試設(shè)備,開發(fā)出以甘藍(lán)胺(GDA)埋入SnO2/鈣鈦礦界面上分子橋優(yōu)化鈣鈦礦太陽電池。該研究結(jié)合先進(jìn)的測試設(shè)備與材料開發(fā)策略,實現(xiàn)了電池轉(zhuǎn)換效率從22.6%提升到24.7%,并顯著改善了穩(wěn)定性。
1. 使用分子改性劑甘藍(lán)胺(GDA)在SnO2/鈣鈦礦的埋底界面上構(gòu)建分子橋,從而產(chǎn)生優(yōu)異的界面接觸。
2. 通過GDA和SnO2之間的強烈相互作用實現(xiàn)的,明顯調(diào)節(jié)能級。此外,GDA可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶體的生長,產(chǎn)生晶粒尺寸增大且無針孔的鈣鈦礦薄膜,缺陷密度顯著降低。
3. 經(jīng)過 GDA 修改的鈣鈦礦太陽電池表現(xiàn)出開路電壓(接近1.2V)和填充因子的顯著改善,從而使功率轉(zhuǎn)換效率從 22.6% 提高到 24.7%。此外,GDA 器件在最大功率點和 85°C 熱量下的穩(wěn)定性均優(yōu)于對照器件。
█ 研究背景
鈣鈦礦太陽能電池因具理論上可達(dá)25%的高轉(zhuǎn)換效率,受到廣泛關(guān)注,但鈣鈦礦材料易受溫濕度影響降解,SnO2與鈣鈦礦界面難以實現(xiàn)有效電荷傳輸,使實際效率較預(yù)期低,制約了商業(yè)化進(jìn)程。如何提升鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性是當(dāng)前研究熱點。充分發(fā)揮精密量測設(shè)備的優(yōu)勢,開發(fā)高性能鈣鈦礦材料與界面工程技術(shù),實現(xiàn)電池效率和穩(wěn)定性的同步提升,是目前的研究方向。
█ 研究成果
陜西師范大學(xué)向萬春團隊設(shè)計開發(fā)出甘藍(lán)胺(GDA)分子材料,優(yōu)化SnO2與鈣鈦礦界面。X射線衍射分析表明,GDA調(diào)控鈣鈦礦晶粒生長,生成高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜,增加晶粒尺寸,降低缺陷密度。此外,GDA 可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦的生長以形成高質(zhì)量的薄膜,從而減少缺陷和相關(guān)的非輻射電荷復(fù)合。因此,經(jīng)過GDA修飾的 PSC 表現(xiàn)出接近1.2 V的令人印象深刻的VOC和 24.70%的效率,高于對照器件的22.60%和離子類似物醋酸胍(GAAc)修飾的PSC的24.22%,同時遲滯現(xiàn)象減少最后,與對照和GAAc修改的器件相比,GDA 修改也大大提高了最大功率點 (MPP)跟蹤和85 °C熱量下的器件穩(wěn)定性。該研究成果發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》
█ 研究方法
采用設(shè)備
本研究采用光焱科技AM1.5G太陽光模擬器(AAA class solar simulator)以及Si標(biāo)準(zhǔn)參考電池SRC2020(NREL-certified silicon cell ),量子效率量測設(shè)備 QE-R。
█ 結(jié)果與討論
要點1:分子與SnO2和鈣鈦礦的橋接作用
研究團隊選擇GDA作為鈣鈦礦界面改性劑的原因有兩方面:其一,GDA具有高熱穩(wěn)定性和良好的溶解性,在界面形成和沉積過程中能夠提供穩(wěn)定的支撐。其二,GDA分子含有羧基和GA基團,可以與SnO2和鈣鈦礦形成強的配位作用,從而在兩者之間建立橋梁,改善界面接觸,有助于提高載流子傳輸效率和減少電荷復(fù)合。
研究團隊通過實驗和密度泛函理論計算證明了GDA與SnO2之間的化學(xué)相互作用,主要源于GDA中的羧基與SnO2表面的欠配位Sn4+結(jié)合。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測量也支持了這一觀點,顯示出GDA分子與SnO2層之間的相互作用。
要點2:GDA對SnO2層的改性
研究團隊使用頂視掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)表征了GDA對SnO2層形貌和粗糙度的影響。GDA修飾導(dǎo)致SnO2表面的納米粒子層變得更加均勻和連續(xù),粗糙度減小,有利于鈣鈦礦薄膜的均勻成核和結(jié)晶,從而提高界面電荷轉(zhuǎn)移效率。
通過紫外光電子能譜(UPS)測量,研究團隊觀察到經(jīng)過GDA修飾的SnO2能級發(fā)生改變,費米能級上升,有利于界面電荷傳輸。這些結(jié)果進(jìn)一步表明,GDA修飾影響了SnO2的能級結(jié)構(gòu),從而改善了PSC界面性能。
要點3:下界面改性對鈣鈦礦層的影響
研究團隊研究了經(jīng)過GDA改性和未經(jīng)GDA改性的SnO2層上鈣鈦礦層的性能。通過SEM和XRD表征,研究團隊發(fā)現(xiàn)GDA修飾有助于形成更平坦和致密的鈣鈦礦薄膜,提高了結(jié)晶度。這對于減少電荷缺陷和提高電荷傳輸效率非常重要。
要點4:下界面改性對鈣鈦礦薄膜結(jié)晶的影響
通過原位XRD測量,研究團隊研究了GDA修飾對鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程的影響。結(jié)果顯示,GDA改性影響了中間相的形成,導(dǎo)致晶格膨脹。此外,研究團隊發(fā)現(xiàn)GDA修飾還影響了鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸和結(jié)晶動力學(xué),進(jìn)一步改善了薄膜質(zhì)量。
要點5:器件性能與穩(wěn)定性
研究團隊制備了經(jīng)過GDA修飾和未經(jīng)GDA修飾的PSC,并評估了它們的性能和穩(wěn)定性。結(jié)果顯示,經(jīng)過GDA修飾的器件在光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)和穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)出優(yōu)勢。GDA改性有助于抑制非輻射電荷復(fù)合,提高載流子提取效率,并減少界面陷阱密度。這導(dǎo)致了更高的PCE和更好的穩(wěn)定性。
█ 結(jié)論
該研究運用精密的光伏測試設(shè)備,開發(fā)出甘藍(lán)胺分子材料修飾SnO2/鈣鈦礦界面,顯著提升了鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性。研究證明先進(jìn)測試設(shè)備的應(yīng)用為材料開發(fā)提供了有力支撐,也為實現(xiàn)高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽電池的低成本批量生產(chǎn)提出了新的設(shè)計思路。期待不同領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研單位通力合作,加快高效鈣鈦礦太陽電池的實際應(yīng)用進(jìn)程。