近年来，钙钛矿太阳能电池（PSC）因其优异的光电转换效率和低成本优势， 成为备受关注的下一代光伏技术。 但是， 钙钛矿材料本身存在着一些固有的问题， 例如界面缺陷、 载流子复合以及环境不稳定性等， 这些问题阻碍了钙钛矿太阳能电池走向大规模应用。
为了解决这些问题， 科学家们一直在探索新的材料和技术， 其中一项重要的研究方向是通过对器件的界面进行优化， 抑制非辐射复合过程， 提升器件的稳定性和效率。
近期， 河南大学李萌教授团队 在 Advanced Materials 期刊上发表了一篇重磅研究成果。 他们通过将多功能偶极分子 tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium (TFHSP)应用于反式钙钛矿太阳能电池， 有效抑制了钙钛矿/电子传输层 (ETL) 界面的非辐射复合损失， 最终实现了电池效率和稳定性的显着提升。
【多功能偶极分子 TFHSP： 巧妙解决界面难题】
这项研究中使用的 TFHSP (Trifluoromethylsulfonyl Pyrrole，三氟甲磺基吡咯) 是一种多功能的偶极分子， 在钙钛矿太阳能电池的界面工程中具有重要的影响， 主要体现在以下几个方面：
l 界面修饰: TFHSP 分子由于其偶极特性， 可以有效修饰钙钛矿与电极之间的界面， 改善界面的接触性质， 从而减少界面处的缺陷和非辐射复合， 提高载流子的分离和传输效率。
l 能级匹配: TFHSP 分子可以调控界面能级， 使钙钛矿层与电极之间形成更好的能级匹配， 降低界面处的能量势垒， 从而有助于电子或空穴的注入或提取， 提升光电转换效率。
l 界面钝化: TFHSP 分子具有良好的钝化作用， 可以有效钝化钙钛矿表面的缺陷态， 减少界面复合中心的数量， 降低非辐射复合损失， 提高开路电压和填充因子。
l 稳定性增强: 由于 TFHSP 分子的存在， 可以形成更稳定的界面结构， 提高钙钛矿太阳能电池在不同环境条件下的稳定性， 延长器件的使用寿命。
其次， TFHSP 在钙钛矿和 ETL 之间形成了一个正极偶极层， 有效地优化了能级排列， 促进界面电荷的提取， 进一步提高了电池效率。
最后， TFHSP 和钙钛矿材料之间形成的强相互作用可以稳定钙钛矿材料的表面， 同时， TFHSP 分子中疏水的氟化部分可以防止水和氧气进入钙钛矿层， 增强了器件的环境稳定性。
【效率与稳定性显着提升， 推动钙钛矿太阳能电池技术进步】
采用 TFHSP 改性后的反式钙钛矿太阳能电池， 其光电转换效率达到了 24.6%。 令人惊喜的是， 该器件展现了稳定性， 未封装的器件在 60% 的相对湿度下， 放置在空气中 1000 小时后， 仍然保持了 91% 的初始效率， 并在 35°C 条件下进行最大功率点跟踪测试（MPP）500 小时后， 效率依然保持 95%。
为了更精确地研究钙钛矿材料的光电转换效率， 该团队还使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪 和 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等级太阳光模拟器， 分别用于测量电池在不同光谱范围内的外量子效率 (EQE) 和模拟真实阳光照射条件。
这项研究的成功证明了， 通过采用多功能偶极分子可以有效地改善钙钛矿太阳能电池的界面特性， 进而提高电池效率和稳定性。 该研究成果为高性能、 长寿命钙钛矿太阳能电池的研发指明了新的方向。
河南大学李萌教授团队利用多功能偶极分子 TFHSP， 成功地改善了反式钙钛矿太阳能电池的界面性质， 并提高了器件的效率和稳定性。 这项研究充分展现了在钙钛矿太阳能电池界面工程中， 应用多功能分子的潜力和优势。 未来， 通过不断探索新的功能性分子和优化界面工程技术， 钙钛矿太阳能电池将会展现更加优异的性能， 并最终走向更广阔的应用领域， 推动可再生能源技术的发展。
重要技术参数：
钙钛矿太阳能电池效率: 24.6%
稳定性: 在空气中 (60% 湿度) 储存 1000 小时后， 保持了 91% 的初始效率； 在 35 °C 条件下进行 MPP 跟踪测试 500 小时后， 效率依然保持 95%
关键技术: TFHSP 多功能偶极分子界面改性
关键设备: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等级太阳光模拟器
参考文献
Inhibiting Interfacial Nonradiative Recombination in Inverted Perovskite Solar Cells with a Multifunctional Molecule_ Adv.Mater, 07 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202407433
【本研究参数图】
Fig 4. 器件光伏性能。a) 器件结构示意图及TFHSP与钙钛矿的相互作用。b) 对照组和c) TFHSP组的最佳钙钛矿太阳能电池的J–V曲线。d) 对照组和TFHSP组的最佳钙钛矿太阳能电池的EQE光谱和积分JSC。e) 电荷传输和非辐射复合损失对对照组和TFHSP组器件填充因子的影响。
Fig 3. 钙钛矿薄膜/器件的光电特性。a) 处理前后器件的陷阱态密度(tDOS)光谱。b) 处理前后器件的瞬态光电压(TPV)，τ1和τ2分别表示对照组和TFHSP处理器件的载流子复合寿命。c) 处理前后单电子器件的陷阱密度，包括欧姆区、陷阱填充极限(TFL)区和Child区。d) 处理前后器件的光强依赖性开路电压(VOC)。e) 处理前后钙钛矿太阳能电池的暗态J–V曲线。f) 处理前后器件的电化学阻抗谱(EIS)特性。
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文献参考自 Adv.Mater, 07 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202407433
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