【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所潘旭研究員團(tuán)隊(duì)在反式鈣鈦礦太陽(yáng)電池研究方面取得新進(jìn)展。研究人員提出構(gòu)建魯棒性的鈣鈦礦 -基底界面的新思路，采用分子橋構(gòu)型 Ph-CH2N+H3-n(CH3)n( n為錨定位點(diǎn)的取代程度)，實(shí)現(xiàn)界面載流子的選擇性高速率傳輸，獲得了 25.45%的光電轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)成果發(fā)表在 Energy & Environmental Sciences上。
隨著與正式構(gòu)型器件(n-i-p)之間效率差的逐漸縮小，反式(p-i-n)鈣鈦礦太陽(yáng)電池(PSCs)在未來(lái)商業(yè)化進(jìn)程中展現(xiàn)出巨大的潛力。PSCs性能的早期改進(jìn)主要是專(zhuān)注于消除開(kāi)路電壓損失和獲得接近統(tǒng)一的內(nèi)部量子效率。然而，不管是n-i-p或者p-i-n型PSCs的效率依然受限于填充因子(FF)。研究人員根據(jù)Shockley-Queisser(S-Q)理論發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)F(紅色)的電阻損耗是n-i-p和p-i-n型PSCs的主要限制因素(圖1a)，F(xiàn)F和S-Q極限值之間的較大間隙可能是由于載流子選擇性接觸差導(dǎo)致的載流子分流，以及載流子重組相關(guān)的電阻損失。因此，調(diào)控鈣鈦礦和空穴傳輸層(HTL)界面上的載流子行為，可提高并進(jìn)一步彌合FF與n-i-p型PSCs之間的效率差距(圖1b)。聚[雙(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)是一種廣泛應(yīng)用于p-i-n結(jié)構(gòu)的空穴傳輸層材料(HTM)，由于其良好的平衡效率和穩(wěn)定性顯示出重要的應(yīng)用前景。但PTAA缺乏有效的載流子提取和運(yùn)輸管理，這為改進(jìn)FF留下了空間。研究人員希望通過(guò)改善鈣鈦礦和輸運(yùn)層之間界面的載流子選擇接觸進(jìn)一步提高效率。
基于此，研究人員對(duì)PTAA/鈣鈦礦異質(zhì)界面的局部電位進(jìn)行可視化處理，并研究了其對(duì)器件性能的潛在影響。研究發(fā)現(xiàn)，PSCs堆疊界面處的局部靜電電位分布對(duì)載流子傳輸和層間提取至關(guān)重要，可以通過(guò)對(duì)其進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)以獲得有利的載流子行為。因此，科研人員采用密度泛函理論(DFT)計(jì)算和截面KPFM直接評(píng)估局部靜電電位分布，并提出了由Ph-CH2N+H3-n(CH3)n組成的界面分子橋策略(其中n是取代度)，其中-N+H3-n(CH3)n基團(tuán)優(yōu)先插入鈣鈦礦中框架，苯基垂直向下朝向鈣鈦礦基底。最穩(wěn)定的苯甲胺三甲基鹽酸鹽(QA)分子橋構(gòu)型實(shí)現(xiàn)了定向載體管理并重新分配均勻的靜電環(huán)境，協(xié)同鈍化界面缺陷。研究結(jié)果表明，構(gòu)建堅(jiān)固的鈣鈦礦基底異質(zhì)界面可降低電阻損耗，并實(shí)現(xiàn)載流子選擇性。
該研究工作為進(jìn)一步提升高效、穩(wěn)定的 PSCs器件提供了新的優(yōu)化方向，對(duì)推動(dòng) PSCs走向商業(yè)化發(fā)展具有重要意義。
固體所博士研究生徐慧芬、梁政為該論文共同第一作者，潘旭研究員、葉加久博士為論文的通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省杰出青年基金等項(xiàng)目的資助。
圖 1. ( a )根據(jù) S-Q 理論，對(duì)基于 PTAA 為 HTM 的正式( n-i-p )和反式( p-i-n )鈣鈦礦太陽(yáng)電池的效率損失分析；( b )不同構(gòu)型的高效鈣鈦礦太陽(yáng)電池的填充因子( FF )和效率( PCE )記錄；( c ) 載流子管理機(jī)理示意圖；( d )界面分子構(gòu)型以及表面靜電勢(shì)。
圖 2. ( a-b )沉積在 PTAA 上鈣鈦礦薄膜的瞬態(tài)吸收光譜( TA )；( c ) PTAA/PVSK 異質(zhì)結(jié)在不同衰減時(shí)間對(duì)應(yīng)的 TA 光譜；( d-e )截面 AFM 和 KPFM ；( f-g )對(duì)應(yīng)器件的電勢(shì)和電場(chǎng)分布；( h ) Mott-Schottky 曲線；( i ) x-y 平面平均電荷密度分布；( j )介于 PTAA/PVSK 之間的 Bader 電荷；( k )鈣鈦礦薄膜的載流子密度(黑色)和霍爾遷移率(紅色)統(tǒng)計(jì)；( l )歸一化的瞬態(tài)光電流測(cè)試。
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