中科院化学所宋延林课题组,Angew!

学术   2025-01-20 15:00   浙江  
▲第一作者:张希文
共同通讯作者:宋延林、汪洋
通讯单位:中国科学院化学研究所
论文DOI:10.1002/anie.202423827(点击文末「阅读原文」,直达链接)


  


全文速览
自组装单分子层(SAM)作为空穴传输材料在高效反式钙钛矿太阳能电池中得到了广泛的应用,目前效率已超过了26%。然而,SAM在基底上的覆盖程度和分布不均限制了器件性能提升。我们采用混合SAM策略,通过MeO-2PACz与全氟三丙胺(FC-3283)的结合以改善SAM的覆盖度,加速载流子传输,促进钙钛矿生长,调节表面能级并抑制非辐射复合。采用混合SAM的最优器件实现了25.70%的效率(认证效率为25.6%),并且具有长期稳定性(在ISOS-L-1ISOS-L-2测试条件下,分别经过1000小时和180小时器件仍能保持90%初始效率)。


  


背景介绍
钙钛矿太阳能电池因其高光电转换效率和低成本制造工艺而备受关注。目前,科研人员通过自组装单分子层技术,单结钙钛矿太阳能电池的认证效率已超过26%, 实现了电池器件性能和稳定性的显著提升。为了进一步提升效率和稳定的输出功率,SAM在基底上的良好覆盖和均匀分布至关重要。

SAM分子由锚定基团、连接基团和末端基团组成,其锚定过程对于器件的界面电荷转移特性至关重要。不稳定的SAM可以被强极性溶剂解吸,导致漏电流,降低器件的效率。此外,受到膦酸基的弱溶解性和与金属氧化物的不充分化学键合的限制,带有膦酸基的SAM难以完全覆盖纹理基底。为了解决这些问题,采用了多种策略,包括增加分子的长宽比,合成具有高结合能的SAM等。尤其对于SAMMeO-2PACz: [2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-)乙基]磷酸),科研人员发现其在基底上存在非均匀分布和较差的表面润湿性,导致覆盖度不够理想。


  


研究出发点
基于以上研究现状及面临的问题,我们通过使用MeO-2PACzFC-3283的混合SAM策略来减少MeO-2PACz聚集形成团簇,并增强MeO-2PACz的键合相互作用(In-O-P),从而加强SAM的覆盖和均匀分布,以实现高效稳定钙钛矿太阳能电池。最终,混合SAM改进的器件实现了25.70%的冠军效率(认证效率:25.6%),并且在连续运行1000小时后(稳定性测试:ISOS-L-1)保持了90%的初始效率。


  


图文解析
Figure 1 (a) Diagram of the control and the mixed SAMs. (b and c) O 1s XPS spectra of the control and the mixed SAMs. (d) CV diagrams for the control and the mixed SAMs. (e) Xy-plane surface potential mapping of the control and the mixed SAMs.

1a展示在基底上用FC-3283增强MeO-2PACz覆盖的示意图。由于两亲性的MeO-2PACz自组装单分子层 (SAM) 分子在乙醇溶液中自发形成胶束,MeO-2PACz倾向于在ITO衬底上聚集,形成密集SAM层导致覆盖不足。我们通过测试在添加FC-3283前后测试了MeO-2PACz溶液的动态光散射(DLS)XPS、循环伏安和KPFM进一步证明FC-3283可以提高SAM的覆盖度。

2是对在SAM基底上钙钛矿薄膜的表征,证明了混合SAM上的钙钛矿薄膜结晶质量更高。

Figure 2 (a) Top-view SEM images of perovskite films with the control and the mixed SAMs. (b) XRD patterns for perovskite films with the control and the mixed SAMs. (c) AFM images of perovskite films with the control and the mixed SAMs. (d) 2D GIWAXS patterns of perovskite films the control and the mixed SAMs.

经过优化后,基于混合SAM的最优器件具有25.70%的光电转换效率(PCE),1.19 V的开路电压(Voc),25.91 mA/cm2的短路电流密度(Jsc)和83.50%的填充因子(FF)。混合SAM器件较高的Jsc归因于混合SAM在衬底上的高覆盖率和均匀分布,而FFVoc的增加归因于有效的缺陷钝化和器件能级的改善。同时,最优器件由中国科学院电工研究所光伏和风能系统质量检测中心认证,实现了25.60%的认证效率,Voc1.20 VJsc25.40 mA cm−2FF83.86%(图S14)。我们封装了PSCs,并评估了PSCs的稳定性。混合SAM 器件在连续光照下1000小时内保持了90%的初始效率。根据测量的稳定性(ISOS-L-2),进一步在85°C下进行了MPPT测试,基于混合SAM的器件在180小时内显示出优异的稳定性(T90)。


  


总结与展望
我们通过使用MeO-2PACzFC-3283的混合SAM策略来加强SAMITO基底上的覆盖和均匀分布,实现了钙钛矿太阳能电池的高效率和长期稳定性。这一策略为加强SAM的覆盖和均匀分布提供了一种简单的方法,以制备具有长期稳定性且高效的钙钛矿太阳能电池。

  


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