【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學楊上峰教授團隊在鈣鈦礦太陽能電池領域取得重要進展，傳統(n-i-p)結構的單結鈣鈦礦太陽能電池實現了26.1%的光電轉換效率(第三方機構認證效率為25.8%)，為目前n-i-p結構鈣鈦礦太陽能電池中最高效率之一。相關研究成果以“Bifunctional ligand-induced preferred crystal orientation enables highly efficient perovskite solar cells”為題發表于國際著名學術期刊《焦耳》(Joule)(Joule2024, 10.1016/j.joule.2024.07.009)。
鈣鈦礦太陽能電池是以有機-無機雜化鈣鈦礦材料作為吸光層的第三代太陽能電池，具有高效、低成本和可溶液加工等特點，受到了科研機構和產業界的廣泛關注。鈣鈦礦的結晶取向已被證明是決定鈣鈦礦太陽能電池器件效率的關鍵因素之一。根據文獻中的報道，鈣鈦礦的不同晶面具有不同的化學、物理和光電特性，不同晶面產生的光電流大小為(100)>(111)>(110)，而且(100)和(111)晶面比(110)晶面表現出更高的載流子遷移率，這是由于(100)和(111)晶面具有較高的介電常數，導致激子結合能較低，有利于自由載流子的產生。另一方面，影響n-i-p結構鈣鈦礦太陽能電池器件性能的另一個關鍵因素為鈣鈦礦/氧化錫層的埋底界面，該界面存在的缺陷會造成額外的非輻射復合損失，從而降低光電轉換效率。在以往的研究中，同時實現擇優結晶取向和良好埋底界面的策略主要依賴于引入額外的界面鈍化層，但這增加了器件制備的復雜程度。由此帶來的科學問題是：在不引入額外的界面鈍化層的前提下，是否有更為簡便的方法同時實現擇優結晶取向和良好埋底界面？
針對上述問題，研究團隊發展了一種簡便有效的方法，通過在鈣鈦礦前驅體溶液中添加雙功能配體2-(甲基硫代)鹽酸乙胺(簡稱為METEAM)，不僅誘導(100)取向的鈣鈦礦薄膜結晶生長，同時改善了鈣鈦礦/氧化錫層的埋底界面。METEAM分子通過與鈣鈦礦晶格的強相互作用，優先吸附在鈣鈦礦的(100)晶面上，從而降低了(100)晶面的形成能，獲得了(100)擇優晶面取向的鈣鈦礦薄膜。同時，METEAM分子可以自發地聚集在鈣鈦礦/氧化錫層的埋底界面，作為鈣鈦礦和氧化錫電子傳遞層之間的橋梁，從而雙向鈍化鈣鈦礦和氧化錫層的缺陷。值得一提的是，此前文獻中的報道的大部分添加劑僅具有單一功能(如調控鈣鈦礦晶體的成核和生長)，而METEAM添加劑的雙功能來自于其“頭部”的胺陽離子(-NH3+)和“尾部”的硫甲基(-SCH3)，分別與鈣鈦礦中的鉛離子和氧化錫中的錫離子發生配位作用。實驗結果表明，經過METEAM處理后，鈣鈦礦薄膜表現出更低的陷阱態密度、更長的載流子壽命和更高的載流子遷移率，相應的單結鈣鈦礦太陽能電池器件的光電轉換效率高達26.1%，第三方機構認證效率也高達25.8%(該認證效率早在2022年1月即獲得，為同期世界記錄值)。同時，由于鈣鈦礦薄膜的陷阱態密度降低，器件的光照穩定性也得到了顯著的提升。該策略為提高鈣鈦礦太陽能電池的綜合性能提供了新的思路。
圖注：(a) METEM分子通過與鈣鈦礦層和氧化錫層同時作用，誘導鈣鈦礦沿(100)晶面擇優取向生長示意圖。(b)METEAM摻雜前(control)、后(target)的鈣鈦礦薄膜(100)和(111)晶面強度比值。(c)METEAM摻雜前后鈣鈦礦太陽能電池J-V曲線。
該論文的共同第一作者為中國科學技術大學已畢業博士李行成和博士研究生高爽，通訊作者為中國科學技術大學楊上峰教授、香港城市大學朱宗龍教授和深圳技術大學肖爽副教授。該項研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院先導專項和中央高校基本科研業務費等基金資助。(化學與材料科學學院、精準智能化學重點實驗室、能源材料化學協同創新中心、科研部)
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