國科大曲勝春CEJ：24.19%效率！雙重修飾策略助力倒置鈣鈦礦太陽能電池效率飆升！

主要內(nèi)容

在中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所曲勝春教授、劉孔教授和鄧惠雄教授的帶領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)聚焦于一步旋涂法制備鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）過程中面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。在傳統(tǒng)一步旋涂法里，高熔點(diǎn)添加劑在鈣鈦礦結(jié)晶階段易發(fā)生共沉淀，并在界面處聚集，導(dǎo)致添加劑空間分布不均，進(jìn)而引發(fā)表面應(yīng)力問題，嚴(yán)重制約了電池同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率與長期穩(wěn)定性的目標(biāo)。

為攻克這一難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出原位和表面鈍化（ISP/SP）雙重修飾策略。在原位鈍化（ISP）方面，選用高擴(kuò)散性的3,4,5 - 三氟 - 4′ - (反式 - 4 - 丙基環(huán)己基) - 聯(lián)苯（3,4,5 - TTPCB）對鈣鈦礦材料進(jìn)行處理，旨在優(yōu)化鈣鈦礦內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)。在表面鈍化（SP）方面，在氯（Cl?）、碘（I?）、溴（Br?）共存的體系中，利用咔唑（Cbz）與苯乙基銨（PEA?）陽離子之間的相互作用，增強(qiáng)PEA?陽離子的性能，并將其應(yīng)用于鈣鈦礦表面鈍化，以提升鈣鈦礦薄膜的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，增強(qiáng)其抗氧氣和水分侵蝕的能力。

在具體實(shí)驗(yàn)操作中，為確保添加劑材料在鈣鈦礦結(jié)晶過程中均勻分布并減少聚集，研究團(tuán)隊(duì)采用3,4,5 - TTPCB熱致液晶。經(jīng)過ISP（3 mol% 3,4,5 - TTPCB）/SP（2.5 mol% PEACl + Cbz）雙重處理的p - i - n型鈣鈦礦太陽能電池（帶隙為1.6 eV），在0.05 cm2器件上實(shí)現(xiàn)了24.19%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和83%的填充因子（FF）。這一顯著提升主要?dú)w因于雙重修飾策略有效減少了鈣鈦礦薄膜中的非輻射復(fù)合，從而提高了載流子的傳輸和收集效率。

為全面評估該雙重修飾策略的效果，研究團(tuán)隊(duì)將基于ISP/SP（PEACl + Cbz）處理的PSCs與多種對照組進(jìn)行了詳細(xì)對比。對照組包括未處理的PSCs（PCE = 21.77%，Voc = 1.15 eV，F(xiàn)F = 80.3%，Jsc = 23.63 mA/cm2）、僅采用ISP（3,4,5 - TTPCB）處理的PSCs（PCE = 22.99%，Voc = 1.16 eV，F(xiàn)F = 81.6%，Jsc = 24.25 mA/cm2）、采用ISP/SP（PEABr + Cbz）處理的PSCs（PCE = 22.55%，Voc = 1.17 eV，F(xiàn)F = 81.7%，Jsc = 23.97 mA/cm2）以及采用ISP/SP（PEAI + Cbz）處理的PSCs（PCE = 23.89%，Voc = 1.18 eV，F(xiàn)F = 81.1%，Jsc = 24.10 mA/cm2）。對比結(jié)果表明，基于ISP/SP（PEACl + Cbz）處理的PSCs在光伏性能上表現(xiàn)**，各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)均有顯著提升。

在穩(wěn)定性測試方面，未經(jīng)封裝的基于ISP/SP（PEACl + Cbz）處理的器件在ISOS - D - 1（相對濕度約45%）和ISOS - L - 1（標(biāo)準(zhǔn)太陽光照射測試）等現(xiàn)代老化穩(wěn)定性條件下，經(jīng)過1200小時(shí)后仍能保持其初始PCE的90%以上，展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。此外，經(jīng)過ISP/SP（PEACl + Cbz）處理的鈣鈦礦薄膜在ISOS - D - 3測試（85 °C，85%相對濕度）以及環(huán)境條件（相對濕度：約35 ± 5%，溫度：25 ± 5℃）下，分解穩(wěn)定性顯著提升，相分離現(xiàn)象得到有效抑制。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果高度一致?；诖耍芯繄F(tuán)隊(duì)認(rèn)為，基于ISP/SP（PEACl + Cbz）的修飾方法通過提升添加劑的擴(kuò)散能力、精準(zhǔn)鈍化表面缺陷、優(yōu)化能級結(jié)構(gòu)，成功降低了鈣鈦礦薄膜的應(yīng)力，顯著提高了光伏性能和長期穩(wěn)定性。這一雙重修飾策略為高性能鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了一種**潛力的解決方案。

文獻(xiàn)信息

Dual-modification strategy for efficient inverted perovskite solar cells via thermally induced liquid crystals and boosting of phenethylammonium by carbazole

Bilal Mehmood , Chen Zhang , Shan Wu , Jiangying Lu, Xu Zheng , Wei Jiang , Kamran Amin, Shudi Lu , Muhammad Iftikhar Khan , Muhammad Sultan , Tanveer Ashraf , Zhijie Wang, Huixiong Deng, Kong Liu, Shengchun Qu

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725047539

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