最新AEM：通过添加剂工程解决基于自组装单层的钙钛矿太阳能模块的大面积化问题
文摘
科学
2024-10-11 14:22
北京
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自组装单分子层（SAMs）锚定在透明导电氧化物上，成为高性能实验室级钙钛矿太阳能电池（PSCs）中的一类有效的空穴选择性接触材料。然而，将这些基于SAM的PSC扩展到大面积模块时面临挑战，如在P1划线区（模块设计的一部分）周围的玻璃上，钙钛矿墨水会发生去润湿现象，这会影响薄膜的均匀性和可重复性。为了克服这些覆盖异常问题，阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf 研究团队在SAM溶液中加入1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2(1H)-嘧啶酮（DMPU），增强了SAM与钙钛矿墨水之间的相互作用，并改善了润湿性。该方法制备出了宽带隙（1.67 eV）的PSC，其中小面积器件（0.057 cm²）的功率转换效率（PCE）高达22.4%，钙钛矿小型模块（9.8 cm²）的PCE高达20%，且具有良好的可重复性。此外，目标器件表现出增强的光稳定性，在连续1个太阳光照下进行最大功率点跟踪490小时后，仍能保持初始PCE的80%。本研究指出了扩展基于SAM的钙钛矿模块规模的关键挑战，并提出了一种制造可扩展的基于SAM的钙钛矿模块的有前景的策略。
图1 模块设计以及P1划线区域Me-4PACz空穴选择性接触层上的涂层挑战对于大面积应用，钙钛矿太阳能模块（PSMs）通常需要采用单片串联互连方法，在制造过程中涉及三个不同的激光划线步骤（P1-P2-P3），以最大限度地减少串联电阻损失，这对于保持高填充因子（FF）以及模块级别的器件性能至关重要。具体而言，P1划线步骤将全面积的玻璃/氧化铟锡（ITO）基底分割成子电池。然而，这种分割会在P1划线处暴露出大量底层玻璃区域，随后涂覆高度疏水性的自组装单层膜（SAMs）（如Me-4PACz），后续在溶液法沉积钙钛矿薄膜时会出现不均匀覆盖的情况。玻璃界面处的这种不均匀性会使钙钛矿薄膜的针孔扩展到附近的ITO表面，导致与相邻电池形成直接的电分流，严重损害子电池的完整性和整体器件性能（见图1a）。因此，优化涂层条件以最小化这些不均匀性对于提高器件效率、可重复性和可扩展性至关重要。图3 钙钛矿墨水与基底（ITO和玻璃）的化学相互作用为了更深入地理解含有Me-4PACz的钙钛矿墨水在玻璃和ITO表面（无论是否添加DMPU添加剂）上的相互作用差异，研究团队进行了密度泛函理论（DFT）计算。计算结果显示，与在ITO上（-5.86 eV）相比，Me-4PACz在玻璃（SiO₂）上的界面形成能更高，为-4.5 eV，这表明其与SiO₂的相互作用较弱（见图3a）。相反，在Me-4PACz溶液中加入DMPU后，Me-4PACz在玻璃上的形成能显著降低（-5.58 eV），使其更接近在ITO上的形成能（-5.86 eV）。此外，与对照样品（-5.86 eV）相比，含有DMPU的ITO上Me-4PACz的形成能显著降低至-7.51 eV。目标样品形成能的降低表明，与对照样品相比，其分子重排的倾向降低。进一步计算了在有无DMPU的情况下，ITO和玻璃表面上Me-4PACz的堆叠能（图3b）。在没有DMPU的玻璃/Me-4PACz情况下，堆叠能呈现正值，表明玻璃表面SAM分子之间存在不稳定的排斥相互作用。文献中指出，Me-4PACz在玻璃上的这种不稳定堆叠会导致Me-4PACz分子在玻璃表面随机排列，形成疏水头部簇，从而增加疏水性。在ITO和玻璃表面，DMPU的引入使堆叠能降低到比对照膜更负的值，阻碍了Me-4PACz分子与DMPU的分子重排和疏水簇形成。这些DFT计算和分子模拟表明，添加DMPU不仅确保了Me-4PACz的最佳垂直分子排列和牢固锚定，DMPU还能与钙钛矿墨水的铅复合物发生化学配位，从而改善了钙钛矿涂覆过程的润湿性和整体有效性。研究团队使用玻璃/ITO/SAM/钙钛矿/C60/BCP/Ag的器件结构，在对照条件和目标条件下制备了小面积的p-i-n型钙钛矿太阳能电池（PSCs），如图4a所示。对照样品和目标样品的钙钛矿层均采用一步式气刀辅助的刮刀涂布法涂覆。尽管对照器件中表现最佳的器件效率较高，但其产量较低，且有很大一部分器件发生了短路（24个像素中有6个），而目标器件的统计差异可忽略不计，显示出更高的一致性（图4d）。最佳目标器件的性能展现出22.4%的功率转换效率（PCE），其开路电压（VOC）为1.23 V，短路电流密度（JSC）为21.4 mA cm⁻²，填充因子（FF）为85%，器件面积为0.0578 cm²（图4b）。该性能与旋涂法制备的宽带隙（WBG）钙钛矿太阳能电池所报道的最高值相当，且在可扩展沉积方法（即刮刀涂布和狭缝涂布）中位列最高，凸显了使用此类WBG钙钛矿的刮刀涂布技术的效率潜力（图4c）。研究团队采用了之前提到的P1、P2、P3单片集成技术，利用激光刻划在4 × 4 cm²的基板上制造了由四个子电池串联连接而成的小型钙钛矿模组（PSMs），如图5a所示（另见图1b）。使用对照条件的对照器件的性能指标显示出较大的差异性，尤其是开路电压（VOC）和填充因子（FF）的值，而添加了添加剂的目标样品模组则表现出统计偏差减小和可重复性提高（见图5b）。这归因于涂层质量的提升，消除了诸如针孔之类的问题（见图2b）。这种改进的涂层策略使得小型模组在有效面积约为9.8 cm²的情况下，实现了高达79%的填充因子和最高19.6%的效率（见图5c），这也展示了该领域宽带隙器件小型模组的最高性能之一。图5d展示了对照样品和目标样品的电致发光（EL）成像，突出了对照器件中由于涂层不均匀导致的短路而引起的非功能性子电池。相比之下，采用添加剂策略的目标样品由于钙钛矿薄膜涂层均匀，使得所有子电池都能正常工作。Resolving Scaling Issues in Self-Assembled Monolayer-Based Perovskite Solar Modules via Additive Engineering https://doi.org/10.1002/aenm.202403530
