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

本文章為Enlitech光焱科技改寫(xiě) 用于科研學(xué)術(shù)分享 如有任何侵權(quán)  請(qǐng)來(lái)信告知