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南科大郭旭崗/城大Alex K.-Y. Jen、付強 AM: 埋底界面的靶向修飾助力高效(25.05%)和穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池
2023-07-19  來源:高分子科技

  SnO2具有高透過率、高電子遷移率、適宜的能級、良好的紫外輻照穩(wěn)定性和易于低溫加工等特點,是目前n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池常用的電子傳輸材料。然而,其體相和表面的缺陷(氧空位(VO)、懸空羥基(-OH)和不飽和配位金屬原子)容易引起載流子積累和非輻射復(fù)合損失。此外,鈣鈦礦中金屬、鹵素和有機離子的配位不足也會引起界面化學反應(yīng),使得器件的效率和穩(wěn)定性惡化。因此,對鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)埋底界面的優(yōu)化是實現(xiàn)其高效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。然而,由于埋底界面的非暴露特性,對其進行研究和優(yōu)化具有一定的挑戰(zhàn)性。


  鑒于此,近日,南方科技大學郭旭崗教授和香港城市大學Alex K.-Y. Jen教授和付強博士合作開發(fā)了一種簡單有效的策略,通過在SnO2納米顆粒中引入草酸甲脒(FOA)來同時抑制SnO2體相和表面缺陷以及鈣鈦礦埋底界面處FA+/Pb2+相關(guān)缺陷,實現(xiàn)有效的靶向缺陷鈍化。甲脒離子和草酸根離子在SnO2層中均呈縱向梯度分布,主要聚集在SnO2/鈣鈦礦埋界面處,調(diào)節(jié)鈣鈦礦的晶體生長,降低體相及界面缺陷,改善鈣鈦礦和SnO2之間的能級匹配。此外,結(jié)果表明,FOA處理后的PSCs效率從22.40%提高到25.05%,PSCs的存儲穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性也顯著提升。該論文近期以Target Therapy for Buried Interface Enables Stable Perovskite Solar Cells with 25.05% Efficiency為題發(fā)表在Advanced Materials上,論文第一作者為冀曉霏博士博士生畢樂雨
 

1. (a) PSC紀錄PCE 的最新進展。(b)具有創(chuàng)紀錄PCE的器件結(jié)構(gòu)和提高PSCPCE 界面工程。(c) FOA3D結(jié)構(gòu)。(d) FOA策略的流程示意圖。(e) SnO2SnO2-FOA和鈣鈦礦的能級排列。(f) FOA分布示意圖及其對鈣鈦礦上層晶體生長的調(diào)節(jié)。(g) FOA在掩埋的SnO2/鈣鈦礦界面的鈍化功能示意圖。 


2. (a)SnO2SnO2-FOA膠體的粒徑分布直方圖。(b)SnO2(c) SnO2-FOA薄膜的SEM圖像及其AFM 圖像(插圖)。(d) ITO/SnO2-FOA/鈣鈦礦的的ToF-SIMS深度剖面。(e) SnO2SnO2-FOA的電子傳輸特性由空間電荷限制電流(SCLC)確定。(f)器件中使用的組件的能級排列示意圖。(g)原始 SnO2(h) SnO2-FOA薄膜的KPFM像。(i)KPFM中提取的原始SnO2SnO2-FOA薄膜的表面電位數(shù)據(jù)。 


3. 基于(a)原始SnO2(b)SnO2-FOA的鈣鈦礦薄膜的2D GIWAXS圖案。(c)FA0.985Cs0.015PbI(100)平面的積分強度和歸一化強度。(d)原始SnO2(e)SnO2-FOA上的鈣鈦礦薄膜的SEM圖像。(f)沉積在原始SnO2SnO2-FOA上的鈣鈦礦薄膜的XRD圖。(g)原始SnO(h) SnO2-FOA剝離的鈣鈦礦薄膜埋底界面的SEM圖像。(i)SnO2SnO2-FOA上剝離的鈣鈦礦薄膜鈣鈦礦薄膜埋底界面的XRD圖案。 


4. (a) SnO2SnO2-FOASn 3d XPS光譜。(b)SnO2(c)SnO2-FOAO 1sXPS光譜。(d)XPS譜顯示從SnO2SnO2-FOA剝離的埋底鈣鈦礦薄膜的Pb 4f。(e)SnO2(f)SnO2-FOA基板上剝離的埋底鈣鈦礦薄膜的O元素EDS。(g)基于SnO2SnO2-FOA的純電子器件在黑暗條件下的不同IV曲線。(h)參比器件和目標器件的暗J?V曲線。(i)1.0 V黑暗條件下阻抗譜  


5. (a) PSC截面SEM圖像。(b)基于原始SnO2SnO2-FOAPSC的優(yōu)化J?V曲線。(c) EQE。(d)穩(wěn)態(tài)功率輸出。(e)效率統(tǒng)計。(f)莫特-肖特基圖。(g)存儲在N2中未封裝PSC穩(wěn)定性。(h)未封裝PSC在連續(xù)照下存儲在N2中的穩(wěn)定性。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303665


作者簡介


  第一作者:冀曉霏博士,2020年博士畢業(yè)于南開大學化學學院(導師:劉永勝教授)。2020年10月-2022年11月在南方科技大學從事博士后研究(合作導師:郭旭崗教授)。2022年9月至今,在中國科學院上海高等研究院基礎(chǔ)交叉中心魯林峰團隊擔任助理研究員。研究方向主要集中在鈣鈦礦及鈣/硅疊層太陽能電池的相關(guān)材料與器件,目前以第一作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、J. Mater. Chem. A等國際期刊發(fā)表學術(shù)論文8篇。


  通訊作者:付強博士,2016年本科畢業(yè)于蘭州大學(導師:魏華教授);2021年博士畢業(yè)于南開大學化學學院(導師:劉永勝教授)。2021-2022年,留組從事博士后研究(導師:劉永勝和陳永勝教授)。2022年9月至今,在香港城市大學Alex Jen教授團隊從事博士后研究。目前研究方向主要集中在太陽能轉(zhuǎn)化包括:先進能源材料開發(fā),鈣鈦礦太陽能電池和組件,近三年以第一或通訊(含共一)作者于J. Am. Chem. Soc.(2), Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.(4) 等國際期刊發(fā)表論文17篇, ESI高被引論文3篇。


  通訊作者:任廣禹教授(Alex Jen),專注于跨學科研究,范疇涵蓋光子學、能源、傳感器及納米醫(yī)學等領(lǐng)域的功能材料和器件。任廣禹教授是歐洲科學院外籍院士和華盛頓州立科學院院士、香港城市大學李兆基講座教授(材料科學)、香港清潔能源研究院院長、化學系講座教授及材料科學系講座教授,在2016年至2020年間擔任香港城市大學副校長。目前發(fā)表SCI研究論文1000余篇,并曾獲邀作演講650多次,著作獲引用超過80000次,H-index為150。


  通訊作者:郭旭崗教授,主要研究領(lǐng)域為有機半導體材料與光電器件,在n-型高分子半導體材料與器件方向做出了國際領(lǐng)先水平的研究成果,發(fā)現(xiàn)了有機半導體的催化n-型分子摻雜技術(shù)。在Nature、Nature Mater.、Nature Photon.、Nature Energy、Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、Acc. Mater. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angewandte Chemie、PNAS、Advanced Materials等期刊發(fā)表論文210余篇,受Chem. Rev.、Nature Mater.、Nature Energy、Chem、高分子學報等期刊約稿撰寫專論、展望及綜述。論文被引用13000余次,H-index為57。

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