
一、研究背景與挑戰(zhàn)
倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率快速提升,自組裝分子因其能級(jí)可調(diào)控、高空穴提取效率及超薄低損耗特性,成為理想的空穴選擇層。然而在ITO基板上透過(guò)溶液制程制備均勻致密的自組裝分子層仍具挑戰(zhàn)性。自組裝分子的兩親性易引起自聚集,導(dǎo)致覆蓋不均,影響膜層取向和堆棧密度,限制器件效率與穩(wěn)定性。
該研究由多個(gè)機(jī)構(gòu)共同完成,由香港城市大學(xué)Alex K.-Y. Jen及河南大學(xué)陳石教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研究,發(fā)表在頂刊《Advanced Materials》。研究團(tuán)隊(duì)采用共組裝策略,引入2,3,5,6-四氟對(duì)苯二甲酸(BCA)或2,3,5,6-四氟-4-硫烷基苯甲酸(BSCA)作為共吸附劑,調(diào)控[4-(3,6-二苯基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸(Ph-4PACz)在氧化銦錫表面的吸附構(gòu)型。(圖1a.b)

二、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂表征:載子動(dòng)力學(xué)與非輻射復(fù)合解析
準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂(QFLS)是衡量半導(dǎo)體材料和界面處非輻射復(fù)合損失程度的關(guān)鍵指標(biāo),直接反映光伏器件的內(nèi)在電壓潛力。研究利用QFLS測(cè)量,對(duì)比三種不同自組裝分子接口結(jié)構(gòu)下鈣鈦礦薄膜的電學(xué)品質(zhì)。
1. QFLS的表征方法與數(shù)據(jù)來(lái)源
研究團(tuán)隊(duì)透過(guò)測(cè)量鈣鈦礦薄膜沉積在不同自組裝分子基板上的光致熒光量子產(chǎn)率(PLQY),計(jì)算出QFLS值。QFLS的計(jì)算基于詳細(xì)平衡理論(detailed balance theory),采用相應(yīng)公式進(jìn)行量化。
其中輻射極限下的QFLS rad計(jì)算值為1.286電子伏特,JG為光生電流密度,J0,rad為暗態(tài)輻射復(fù)合飽和電流密度等參數(shù)均納入計(jì)算考慮。
2. QFLS測(cè)量數(shù)據(jù)與核心發(fā)現(xiàn)
研究結(jié)果如圖3f及Supplementary Table 5所示,展示自組裝分子構(gòu)型調(diào)控對(duì)QFLS的影響:

ITO/Ph-4PACz(純自組裝分子)樣品:PLQY為2.19%,QFLS為1.187 eV,VOC非輻射損失(Delta VOC)為99 mV。
ITO/BCA-Ph(共組裝)樣品:PLQY為4.00%,QFLS為1.203 eV,VOC非輻射損失(Delta VOC)為83 mV。
ITO/BSCA-Ph(共組裝)樣品:PLQY為5.62%,QFLS為1.212 eV,VOC非輻射損失(Delta VOC)為74 mV。(圖S27)
BSCA誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化:實(shí)驗(yàn)證實(shí),平面吸附的BCA傾向于穩(wěn)定Ph-4PACz在傾斜構(gòu)型約54.03度,而傾斜吸附的BSCA則誘導(dǎo)Ph-4PACz采取近乎垂直取向約6.61度。這種垂直對(duì)齊(standing-up geometry)形成更致密、更均勻的自組裝分子層。(圖1c.d)

PL mapping 的結(jié)果直接顯示,鈣鈦礦薄膜沉積在 BSCA-Ph 界面上時(shí),其 exposed bottom surface 表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的均勻性和更強(qiáng)的 PL 強(qiáng)度。這種空間上強(qiáng)而均勻的發(fā)光訊號(hào),定性地反映了埋藏界面處非輻射復(fù)合損失的降低。(圖3d.e)


藉由QFLS精確量化了接口非輻射復(fù)合損失,證實(shí)BSCA接口QFLS提升至1.212 eV,使VOC損失降低至74 mV。Enlitech的QFLS-Maper準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂檢測(cè)儀可測(cè)量PLQY與QFLS以評(píng)估VOC潛力。該儀器配備QFLS Image可視化功能,能在3秒內(nèi)顯示樣品的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖,識(shí)別薄膜與接口的不均勻區(qū)域,分析非輻射復(fù)合位置,有助于接口工程與材料優(yōu)化研究。
非輻射復(fù)合損失的量化抑制:BSCA引入后,PLQY從2.19%提高到5.62%(圖3f)。QFLS值從1.187 eV提升至1.212 eV。這種QFLS的提高直接證明BSCA-Ph接口處的載流子復(fù)合更傾向于輻射復(fù)合,而非輻射復(fù)合損失(Delta VOC)也從99 mV降低至74 mV。

輔助動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證:QFLS的提升與其他載流子動(dòng)力學(xué)分析一致。
時(shí)間分辨光致熒光(TRPL)測(cè)量結(jié)果顯示,BSCA-Ph樣品的平均載流子壽命(tau avg)增加(圖S25b)。

經(jīng)BSCA處理后,鈣鈦礦薄膜的表面復(fù)合速度(SRV)從15.53 cm/s下降至3.30 cm/s(圖S26)。

空間電荷限制電流(SCLC)分析亦表明,BSCA-Ph器件的陷阱態(tài)密度降低,為4.16×10的15次方 cm-3。(圖3g)


SS-LED太陽(yáng)光模擬器:高效鈣鈦礦電池測(cè)試解決方案
研究通過(guò)精確測(cè)量J-V曲線,展示了26.75%的高效率,并依賴1500小時(shí)連續(xù)光照MPPT追蹤,證實(shí)了器件的穩(wěn)定性。
SS-LED大面積LED太陽(yáng)光模擬器具備Class A++光譜和時(shí)間穩(wěn)定性(<0.5%),適用于光敏鈣鈦礦電池的表征測(cè)試。SS-LED提供220 mm × 220 mm大面積照射與10,000小時(shí)以上使用壽命,可進(jìn)行本研究中的大面積器件測(cè)試及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)估
三、結(jié)論與研究成果
研究透過(guò)共組裝分子BSCA,將空穴傳輸自組裝分子層Ph-4PACz的吸附構(gòu)型從傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)榻醮怪钡膶?duì)齊方式,改善自組裝分子層的均勻性與致密性,并優(yōu)化能級(jí)對(duì)準(zhǔn)。
這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化產(chǎn)生高質(zhì)量的鈣鈦礦埋藏接口,有效加速電荷傳輸,同時(shí)抑制接口處的非輻射復(fù)合。QFLS數(shù)據(jù)支持這一結(jié)論,其量化結(jié)果表明VOC損失減少25 mV。
1. 高效率成果:基于BSCA-Ph的倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了26.72%的高功率轉(zhuǎn)換效率,經(jīng)國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)測(cè)量與測(cè)試中心認(rèn)證效率為26.75%。(圖4b.c、圖S31)

l 開(kāi)路電壓達(dá)到1.187 V,與QFLS預(yù)測(cè)的低Delta VOC結(jié)果高度吻合
l 大面積(1 cm2)器件亦實(shí)現(xiàn)了25.21%的功率轉(zhuǎn)換效率。(圖4e)

2. 優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性:結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯著提升了器件的耐用性(圖4g.h)
l 在連續(xù)光照下(功率點(diǎn)追蹤)運(yùn)行1500小時(shí)后,器件仍保持其初始功率轉(zhuǎn)換效率的90%以上
l 在85攝氏度條件下連續(xù)加熱1000小時(shí)后,器件仍維持了92%的初始效率

文獻(xiàn)參考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202514623
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