又帅又牛！他，手握Nature，屡破太阳能电池世界纪录，再发Nature Energy！
学术
2024-12-10 08:18
河南
钙钛矿太阳能电池（PSCs）近年来取得了显著的效率提升，单结电池效率突破26%，而钙钛矿-硅串联电池效率更是超过34%。然而，PSCs的商业化进程仍面临重要挑战，其中之一是电荷传输层（CTLs）与钙钛矿吸收层之间的异质界面稳定性问题。尽管已有一些界面优化策略，但钙钛矿与金属氧化物（MeOx）电荷传输层之间的相互作用及其退化机制仍未得到充分理解。因此，研究界面粘结与降解之间的关系，探索如何在提高界面粘结强度的同时抑制化学降解，成为提升PSCs效率与稳定性的关键。基于此，新加坡国立大学侯毅教授团队等人提出了一种优化钙钛矿太阳能电池界面稳定性的策略，实现了界面粘结强度与化学降解的平衡，显著提高了太阳能电池的效率（最高达25.6%）和长期稳定性。该研究以《Determining the bonding-degradation trade-off at heterointerfaces for increased efficiency and stability of perovskite solar cells》为题，发表在《Nature Energy》期刊上。2024年1月12日，新加坡国立大学(NUS)侯毅教授发表Nature Energy：2024年3月4日，新加坡国立大学(NUS)侯毅教授团队发表Nature：
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1、创新的界面优化策略：通过引入Me-4PACz和DCZ-4P分子，有效增强了钙钛矿与金属氧化物电荷传输层（CTLs）之间的界面粘结力，同时通过磷酸基团的引入抑制了界面处的化学降解反应，为钙钛矿太阳能电池的稳定性提供了新的设计思路。2、显著提高效率与稳定性：优化后的钙钛矿太阳能电池实现了最高25.6%的光电转换效率，并在长达1000小时的标准测试下保持了90%的初始性能。3、界面退化机制深入分析：研究揭示了钙钛矿与金属氧化物电荷传输层异质界面的退化机制，提出界面粘结与化学降解之间的权衡关系，填补了钙钛矿太阳能电池界面交互作用与退化过程理解的空白，推动了材料和器件稳定性研究的进一步发展。图1a展示了通过高真空环境下的界面粘结过程，钙钛矿薄膜与金属氧化物电荷传输层在高温条件下牢固结合。该过程中，两个钙钛矿半电池通过热压合并，形成了强粘结的界面，能够模拟实际钙钛矿太阳能电池的制备过程。在随后的脱粘过程中，研究通过施加张力使界面分离，揭示了不同金属氧化物电荷传输层（如ZnOx、TiOx、NiOx等）与钙钛矿吸收层之间的粘结强度。图1b通过扫描电子显微镜（SEM）展示了在不同条件下粘结的钙钛矿薄膜的形貌差异，比较了真空条件与常规大气条件下钙钛矿薄膜的结晶质量，表明真空条件下形成的钙钛矿薄膜具有更高的结晶度和更低的PbI2含量。图1c则通过X射线衍射（XRD）图谱比较了两种条件下钙钛矿薄膜的PbI2衍射峰强度，证明了在真空条件下钙钛矿薄膜的晶体结构更为稳定。图1d展示了使用双悬臂梁（DCB）测试方法测定的不同界面粘结强度数据，表明ZnOx与钙钛矿的界面粘结强度最高，而TiOx的界面粘结强度最低，这为进一步优化界面设计提供了重要依据。图2展示了在不同金属氧化物（MeOx）电荷传输层上揭示的钙钛矿薄膜的形貌和光电特性。图2a和2b通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分别展示了不同金属氧化物（如ZnOx、MoOx、NiOx、TiOx）上钙钛矿薄膜的表面形貌。SEM图像揭示了在ZnOx电荷传输层上的钙钛矿薄膜表面存在明显的空洞和不规则的六角形杂质，而这些杂质被元素分析确认是PbI2，这表明界面交互作用强烈，导致了钙钛矿结晶过程中的PbI2积聚。相较之下，NiOx和TiOx上的钙钛矿薄膜表面较为均匀，空洞和杂质较少，显示出不同金属氧化物对钙钛矿薄膜生长的影响。图2c展示了通过共聚焦光致发光（PL）映射测量不同界面上钙钛矿薄膜的光电特性。结果显示，从ZnOx到TiOx，钙钛矿薄膜的PL强度逐渐增加，且光致发光的均匀性也有所提升，特别是在TiOx界面上，表现出最高的PL强度，表明该界面对钙钛矿薄膜的电子性质影响较小。图2d和2e则通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测量了不同界面钙钛矿薄膜的表面电势分布，发现ZnOx界面上的钙钛矿薄膜存在明显的表面电势不均匀性，而TiOx界面的电势分布则较为均匀，进一步支持了不同电荷传输层对电子传输和界面稳定性的不同影响。整体来看，图2提供了关于金属氧化物电荷传输层对钙钛矿薄膜形貌和光电性能影响的深入分析，为优化界面设计提供了重要的实验依据。图3a通过X射线光电子能谱（XPS）分析，比较了钙钛矿薄膜在不同金属氧化物电荷传输层（如ZnOx、MoOx、NiOx、TiOx）上的表面化学状态。结果显示，在ZnOx界面上的钙钛矿薄膜中，Pb 4f和I 3d的结合能出现了正向位移，表明钙钛矿中的A+和I−离子发生了迁移，转化为PbI2，显示出明显的化学退化。相较之下，TiOx界面上的钙钛矿薄膜退化较轻，PbI2的形成较少，表明该界面的化学反应较为温和。图3b进一步展示了界面粘结强度与界面质子转移反应强度的相关性。通过测量不同界面钙钛矿薄膜的退化程度，研究发现较强的界面粘结通常伴随着更强的质子转移反应，这种反应会加剧界面退化并导致初期缺陷的形成。图3c和3d则通过X射线吸收精细结构（XAFS）分析，探讨了ZnOx界面在钙钛矿晶体生长过程中的变化。结果表明，ZnOx在与钙钛矿接触后发生了氧空位形成，并转变为Zn(OH)2，进一步证实了金属氧化物与钙钛矿界面之间的化学交互作用。图3e和3f展示了不同界面在热老化（85 °C）和光照老化（1-sun）条件下的退化过程。热老化加剧了钙钛矿中PbI2的生成，而光照老化则导致更多的金属Pb积累。图4a展示了Me-4PACz、DCZ-4P和D4P处理后的Pero-NiOx界面粘结强度与质子转移反应强度的对比。D4P处理后的界面显示出显著增强的界面粘结力（约1.12 J/m²），相比于单独使用Me-4PACz（0.41 J/m²）和DCZ-4P（0.98 J/m²），D4P在增强界面粘结的同时，抑制了过强的质子转移反应，解决了传统界面改性方法中存在的“粘结强度与退化反应之间的矛盾”。图4b为Me-4PACz-NiOx与D4P–NiOx界面结构示意图，说明D4P通过引入额外的磷酸基团，有效改善了界面结合强度，同时减少了有害的界面化学反应。图4c为ToF-SIMS分析结果，显示D4P在NiOx表面形成的磷酸化物层有助于进一步加强界面稳定性，减少了FA脱质子化等退化反应。图4d通过红外反射吸收光谱（IRRAS）进一步验证了D4P在界面上的磷酸基团的存在，并显示出D4P层显著增强了界面的亲水性，有助于减少界面缺陷。图4e和4f分别展示了Me-4PACz-NiOx和D4P-NiOx电池的J-V曲线及PCE统计数据，表明D4P-NiOx结构的太阳能电池在性能上有所提升，PCE达25.6%，明显优于Me-4PACz-NiOx（24.25%）。图4g展示了在严格的热循环测试中，D4P-NiOx结构的电池在500个循环后保持了95%的初始效率，而Me-4PACz-NiOx仅保持54%。这些结果表明，D4P界面改性显著提升了钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率，展现了优异的长期性能。本研究通过优化钙钛矿与金属氧化物电荷传输层（MeOx）之间的界面，提出了一种有效的策略，在提升太阳能电池效率的同时显著增强其长期稳定性。通过引入Me-4PACz和DCZ-4P分子混合物（D4P），增强了界面粘结力，同时抑制了化学退化反应，成功解决了界面粘结强度与退化反应之间的权衡问题。这一策略不仅提升了太阳能电池的光电转换效率（最高25.6%），还提高了其在长时间老化和热循环条件下的稳定性。随着界面工程技术的不断进步，钙钛矿太阳能电池的商业化应用前景愈加广阔，尤其是在高效、低成本的太阳能发电技术中，具有巨大的潜力。Determining the bonding-degradation trade-off at heterointerfaces for increased efficiency and stability of perovskite solar cells. Nature Energy, https://doi.org/10.1038/s41560-024-01680-x.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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