鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和低成本制備,在過去十年間引發(fā)了廣泛的研究熱潮,并被認為是最有潛力替代傳統(tǒng)硅太陽能電池的下一代光伏技術(shù)之一。近年來,PSCs 的效率不斷提升,并不斷刷新著世界紀錄。
南方科技大學(xué)許宗祥教授團隊與香港城市大學(xué)Alex K.-Y Jen教授團隊合作,近期取得重大突破,成功研發(fā)出一種新型自組裝單分子層 (SAM) 材料,并將其應(yīng)用于倒置鈣鈦礦太陽能電池,實現(xiàn)了驚人的 26.17% 的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE),創(chuàng)下了新的世界紀錄。 這一研究成果發(fā)表在國際頂尖期刊《Joule》上。
突破的關(guān)鍵:自組裝單分子層材料
自組裝單分子層 (SAM) 材料,在鈣鈦礦太陽能電池中扮演著重要的角色,可以有效地調(diào)節(jié)電極的功函數(shù),促進電荷的提取和傳輸,提升器件的性能和穩(wěn)定性。其中在界面修飾上,改善鈣鈦礦層與電極之間的界面接觸質(zhì)量,有效減少界面缺陷和不連續(xù)性; 能級對齊,優(yōu)化電荷的注入和傳輸效率;能抑制離子遷移,在界面上形成緊密的分子排列,限制離子的遷移路徑; 減少非輻射復(fù)合,在鈣鈦礦層與電極之間形成均勻的復(fù)蓋層,減少界面處的非輻射復(fù)合損失,有助于提高光電轉(zhuǎn)換效率; 防止?jié)駳馇秩?,阻止?jié)駳夂脱鯕馇秩脞}鈦礦層,從而提高電池的耐候性和長期穩(wěn)定性。增強機械穩(wěn)定性,通過分子間的相互作用增強鈣鈦礦層與電極之間的粘附力,提高整個器件的機械穩(wěn)定性,減少在加工和使用過程中可能出現(xiàn)的分層或裂紋現(xiàn)象。
傳統(tǒng)上,商業(yè)化的 SAM 材料,如 Me-4PACz,通常采用靈活的烷基鏈作為連接基團,這會導(dǎo)致分子排列不規(guī)則,影響材料的穩(wěn)定性和電荷傳輸效率。
Me-4PACz(4-苯基胺甲基二磷酸酯)和 Me-PhpPACz(苯基化的4-苯基胺甲基二磷酸酯)兩種用于優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池界面的自組裝單分子層(SAM)材料差異性:
· 分子結(jié)構(gòu):
Me-4PACz:含有一個簡單的4-苯基胺甲基基團,結(jié)構(gòu)相對簡單。
Me-PhpPACz:在 Me-4PACz 的基礎(chǔ)上進行了苯基化處理,使得分子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,具有更大的分子體積和更復(fù)雜的分子間相互作用。
· 表面修飾效果:
Me-4PACz:能夠有效修飾電極表面,但其修飾效果受限于其簡單的分子結(jié)構(gòu),可能無法充分覆蓋或優(yōu)化界面。
Me-PhpPACz:由于苯基化處理,能夠提供更好的界面覆蓋和修飾效果,從而進一步優(yōu)化界面性質(zhì)。
許宗祥教授團隊與香港城市大學(xué)Alex K.-Y Jen教授團隊合作,通過將 Me-4PACz 中的柔性烷基鏈替換為剛性、共軛的亞苯基環(huán),成功合成了一種新型的 SAM 材料:Me-PhpPACz。這種結(jié)構(gòu)上的改進,賦予了 Me-PhpPACz 更加優(yōu)異的性能:
l 更高的分子密度: 由于亞苯基環(huán)的剛性結(jié)構(gòu),Me-PhpPACz 分子在基底上排列更加緊密,形成更加致密的薄膜,有效地減少了器件的漏電流,提升了其穩(wěn)定性。
l 更強的電荷傳輸能力: 共軛亞苯基環(huán)的引入,增強了分子間的電荷傳輸效率,提高了器件的填充因子,進而提升了其能量轉(zhuǎn)換效率。
l 更低的功函數(shù): Me-PhpPACz 的引入,可以有效調(diào)節(jié)電極的功函數(shù),促進空穴的提取,提高器件的開路電壓。
突破性的成果
這項研究最終取得了突破性成果:
l 使用 Me-PhpPACz 材料的倒置鈣鈦礦太陽能電池,能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達到驚人的 26.17%,并獲得 NREL 認證的穩(wěn)態(tài)效率。
l 器件表現(xiàn)出非凡的長期穩(wěn)定性,在 65°C 的環(huán)境溫度下,連續(xù)運行超過 1200 小時,仍保持 95% 的初始效率。
反式鈣鈦礦太陽能電池的近3年研究突破論文
近年來,倒置鈣鈦礦太陽能電池的研究取得了突破性進展,以下是一些代表性的論文:
2021年: Nature. 25.2% Pseudo-halide anion engineering for α-FAPbI3 perovskite solar cells, PI: J. Y. Kim (UNIST韓國科學(xué)技術(shù)院)
2022年: Nature Photonics. 23.91% Quantum-size-tuned heterostructures enable efficient and stable inverted perovskite solar cells, PI: Edward H. Sargent (多倫多/西北大學(xué))
2023年: Science.24.09% Engineering ligand reactivity enables high-temperature operation of stable perovskite solar cells, PI: Edward H. Sargent (多倫多/西北大學(xué))
2024年: Science. 26.14% Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands, PI: Edward H. Sargent (多倫多/西北大學(xué))
未來展望
許宗祥教授團隊的突破性研究成果,為鈣鈦礦太陽能電池的實際應(yīng)用開辟了新的道路。未來,研究人員將繼續(xù)探索更有效的缺陷管理和離子滲透阻擋策略,并結(jié)合先進的表征手段和模擬計算,進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性,推動該技術(shù)走向商業(yè)化應(yīng)用。
Fig. 4. 反式過氧化物太陽能電池的光伏性能(A) 器件結(jié)構(gòu)以及經(jīng)過 10 ps AIMD模擬。
(B)Me-PhpPACz 器件的橫截面 SEM 圖像。
(C)基于 Me-4PACz 和 Me-PhpPACz 的 PSC 的 J-V 曲線(數(shù)據(jù) S1.C)?;?/span>Me-PhpPACz),(D)Me-4PACz 和基于 Me-PhpPACz 的 PSC 以及集成 JSC 在 AM 1.5G 標準頻譜上的 IPCE 曲線,(E)器件 FF S-Q 限制,包括電荷傳輸損耗和非輻射損耗;(F)基于 Me-4PACz 和 MePhpPACz 的 PSC 在 0.01-2,000 mA/cm2 范圍內(nèi)的 EQEEL 和 EL 圖像,以及 (G) 在 N2 和模擬 1 sun AM 1.5G 光照下跟蹤未冷卻器件的 MPP(工作溫度達到 50C G 10C)。溫度為 50C G 10C)
原文出處: joule _ DOI