中科院化学所汪洋&宋延林最新Joule：分子触发的应变调节和界面钝化策略用于高效反式钙钛矿太阳能电池
文摘
科学
2024-08-31 19:46
北京
![]()
研究亮点
• 分子触发的应变调节策略实现了钙钛矿的应变调节
• 界面拉伸应变从69.6 MPa降低到24.3 MPa，降低了65%
• 效率高达26.32%（认证效率：26.08%），并表现出卓越的长期稳定性
残余拉伸应变由于钙钛矿晶格畸变和不同热膨胀系数的影响，阻碍了钙钛矿太阳能电池（PSCs）效率和固有稳定性的提升。中科院化学所汪洋&宋延林研究团队提出了一种分子触发的应变调节和界面钝化策略，以增强PSCs的效率和稳定性（特别是光稳定性），该策略利用6-溴香豆素-3-羧酸乙酯（BAEE）的[2 + 2]环加成反应，消耗入射的紫外线光以抑制拉伸应变的演变。同时，BAEE能与NiOx形成强键，有助于钙钛矿的生长和界面缺陷的钝化。最终实现了26.32%的效率（认证效率为26.08%），开路电压（Voc）高达1.201 V，Voc损失低至0.342 V，以及长期稳定性（在氮气中连续365 nm紫外线照射：T90 > 110小时，在环境空气中：T90 > 6小时，以及在100 mWcm−2的LED白光连续照射下：T90 > 1,000小时）。
![]()
BAEE分子的影响![]()
![]()
BAEE的光可逆效率是保护钙钛矿薄膜免受紫外线影响的关键，它通过管理钙钛矿残余应变和提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）的设备稳定性来实现这一目标。BAEE分子预计能够通过捕获紫外线来实现环加成和环逆转反应（图1A）。BAEE分子对紫外线高度敏感，在365 nm辐照下实现二聚化，并在短波254 nm存在下发生去二聚化。因此，紫外线触发的BAEE在高效PSCs的紫外保护和应变调节方面具有以下优势：（1）紫外保护：智能分子BAEE通过[2 + 2]光可逆反应消耗照射的紫外线[24,25]；
（2）应变调节：紫外线触发的BAEE分子有助于钙钛矿应变调节，释放残余拉伸应变，进一步延长设备稳定性；
（3）钝化效应：BAEE分子的溴离子（Br-）和羰基团可以有效地钝化I空位缺陷。![]()
![]()
研究团队通过2θ-sin²ψ方法的掠入射X射线衍射（GIXRD）测量了钙钛矿薄膜表面下方约200纳米深度处的表面残余应力，以量化残余应力（图2A和2B）。结果显示，原始和BAEE处理过的钙钛矿薄膜中，2θ-sin²ψ线性拟合的负斜率表明存在残余拉应力（图2C和2D）。因此，与原始薄膜（K: -0.103, s: 69.6 MPa）相比，BAEE改性的钙钛矿薄膜具有更低的2θ-sin²ψ变化（K）和拉应力（s）（K: -0.036, s: 24.3 MPa），这有助于提升器件的光伏性能和稳定性。显著的是，在365纳米紫外线照射30分钟后，BAEE处理过的钙钛矿薄膜的2θ-sin²ψ和拉应力变化较小（K: -0.027, s: 18.2 MPa），优于原始薄膜（K: -0.039, s: 26.4 MPa），如图2E、2F和表S1所示。应变测试结果表明，BAEE分子不仅在热退火过程中释放了应变，还抑制了光照射下的应力演变，显示出BAEE中间层对应力的持续调节作用。BAEE中间层可以被统一用来释放目标样品从底部到顶部的应力分布，从而提升其性能和稳定性。薄膜表征与分析
![]()
![]()
通过X射线光电子能谱（XPS）分析，BAEE分子还能调节NiOx的氧化态，如图3A、3B所示。众所周知，高含量的Ni3+能诱导形成额外的空穴，降低电阻率，增强氧化镍的导电性。 NiOx/BAEE薄膜的Ni3+/Ni2+比（2.18）高于对照NiOx薄膜（1.86），表明NiOx/BAEE薄膜的空穴导电性得到了改善。与对照NiOx薄膜相比，NiOx/BAEE薄膜的价带（VB）和费米能级（EF）（图3C和S19）分别从-5.64 eV（VB）和5.18 eV（功函数WF）变为-5.72 eV（VB）和5.14 eV（WF），这加速了BAEE处理过的NiOx/钙钛矿界面处的空穴提取，并减少了能量损失。此外，较短的PL寿命进一步表明从钙钛矿到NiOx/BAEE空穴传输层（HTL）的空穴提取能力增强，对应于在图3D和表S2中所示的将BAEE添加到界面后PL峰的猝灭。图3E显示了原始器件（2.12 kBT/q）和BAEE PSCs（1.65 kBT/q）的开路电压（Voc）与光强度的关系，表明载流子可以在PSCs中顺畅传输，且界面处没有明显的电荷势垒，这有利于减少非辐射复合损失并获得更高的Voc。![]()
![]()
器件结构（由铟锡氧化物（ITO）基底/NiOx或NiOx-BAEE/钙钛矿/PCBM/Ag）图4A展示了在AM 1.5G、100 mWcm²光照条件下，最佳性能PSC的电流密度-电压（J-V）曲线。具有NiOx/BAEE HTL的器件实现了26.32%的光电转换效率（PCE），开路电压（Voc）为1.201 V，短路电流密度（Jsc）为26.17 mAcm²，填充因子（FF）为83.73%。同时，该最佳性能的器件已经由中国科学院电工研究所光伏与风力发电系统质量检测中心（IEE）进行了独立认证，获得的认证效率为26.08%（Voc=1.197 V，Jsc=26.14 mAcm²，FF=83.33%）。Molecule-triggered strain regulation and interfacial passivation for efficient inverted perovskite solar cellshttps://doi.org/10.1016/j.joule.2024.08.003
