24.55%！Nature Photonics：钙钛矿太阳能电池新突破！
学术
2024-10-05 21:43
河南
钙钛矿太阳能电池（PSCs）是一种新兴的光伏材料，由于其优异的光电性能和较低的制造成本，近年来受到广泛关注。然而，传统的n–i–p型钙钛矿太阳能电池在稳定性和与串联太阳能电池结构的兼容性方面存在一定挑战。尤其是反向（p–i–n）结构的PSCs，虽然在稳定性和集成性上表现更优，但面临能级失配、光生载流子传输不平衡以及钙钛矿薄膜中显著缺陷等问题。为了解决这些挑战，沙特阿卜杜拉国王科技大学Osman M. Bakr教授，英国纽卡斯尔大学Zhongjin Shen，美国国家可再生能源实验室Shuai You，Kai Zhu等携手提出采用tris(2,4,6-trimethyl-3-(pyridin-3-yl)phenyl)borane（3TPYMB）作为n型材料，通过氢键和路易斯酸-碱反应与钙钛矿表面或晶粒边界进行相互作用，从而实现钙钛矿能态的原位调节。以上成果在Nature Photonics期刊上发表了题为“In situ energetics modulation enables high-efficiency and stable inverted perovskite solar cells”的最新论文。研究表明，掺入3TPYMB的p–i–n型PSCs达到了24.55±0.33%的认证准稳态功率转换效率（PCE），并且反向扫描效率达到25.58%。此外，未封装器件在氮气氛围下、1个太阳光照和60°C条件下连续运行1800小时后，仍保持97.8%的初始效率。这些成果不仅提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，也为钙钛矿材料的能态调节提供了新的研究方向，促进了未来在p–i–n型器件效率突破方面的进展。
1. 实验首次将n型材料3TPYMB引入钙钛矿薄膜，成功实现了钙钛矿的原位p型到n型转变，同时调整了钙钛矿/C60界面的能级对齐。此创新策略为钙钛矿太阳能电池的能态调制提供了新的思路。2. 实验通过溶剂辅助注入方法，将3TPYMB引入钙钛矿薄膜中，平滑了钙钛矿薄膜的表面势能分布，促进了电子提取，实现了电子和孔载流子的平衡转移。3. 引入3TPYMB后，钙钛矿的晶粒生长得到了有效调节，缺陷数量减少，并抑制了非辐射复合现象。这一过程显著提高了器件的性能。4. 最终，获得的最佳器件在逆扫描效率和稳定性方面均取得了优异的成绩，达到了25.76%的功率转换效率（PCE）。5. 在氮气氛围中、持续1个太阳光照和约60°C的条件下，未封装的器件在1800小时后仍保持了97.8%的初始效率，显示出良好的长期稳定性。
图3. 具有(靶)和不具有(ST)3TPYMB的钙钛矿表征和相应光伏photovoltage，PV性能。图4: ST和目标钙钛矿PSC的光电特性和操作稳定性评估。该研究揭示了钙钛矿薄膜与C60层之间的界面特性及其在光电性能中的重要性。通过优化钙钛矿前驱体溶液的配比与制备工艺，研究者成功地实现了高效的钙钛矿太阳能电池（PSC）的制备。这一过程包括精细的溶剂处理和热处理，进一步提升了薄膜的结晶质量和光电性能。通过对薄膜界面的深入分析，研究表明，在钙钛矿材料中引入3TPYMB能有效改善光吸收和电荷传输性能，进而增强器件的光电转换效率。这为未来钙钛矿基光电材料的设计提供了新的思路，强调了界面工程在提升材料性能中的关键作用。此外，团队采用多种光学与电学测量技术对器件性能进行了全面评估，确保了研究结果的可靠性与准确性。这一系列研究不仅为钙钛矿太阳能电池的进一步优化奠定了基础，还为开发新型高效光电器件提供了重要的实验依据。整体而言，本文为钙钛矿材料的实际应用指明了方向，同时推动了相关领域的科学研究进展。Zhu, H., Shao, B., Shen, Z. et al. In situ energetics modulation enables high-efficiency and stable inverted perovskite solar cells. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01542-8🌟 同步辐射，找华算 ！三代光源，全球机时，最快一周出结果，保质保量！👉全面开放项目：同步辐射硬线/软线/高能/液体/原位/SAXS/GIWAXS/PDF/XRD/数据拟合！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
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