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南科大郭旭崗/城大Alex K.-Y. Jen、付強 AM: 埋底界面的靶向修飾助力高效(25.05%)和穩定的鈣鈦礦太陽能電池
2023-07-19  來源:高分子科技

  SnO2具有高透過率、高電子遷移率、適宜的能級、良好的紫外輻照穩定性和易于低溫加工等特點,是目前n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池常用的電子傳輸材料。然而,其體相和表面的缺陷(氧空位(VO)、懸空羥基(-OH)和不飽和配位金屬原子)容易引起載流子積累和非輻射復合損失。此外,鈣鈦礦中金屬、鹵素和有機離子的配位不足也會引起界面化學反應,使得器件的效率和穩定性惡化。因此,對鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)埋底界面的優化是實現其高效率和穩定性的關鍵。然而,由于埋底界面的非暴露特性,對其進行研究和優化具有一定的挑戰性。


  鑒于此,近日,南方科技大學郭旭崗教授和香港城市大學Alex K.-Y. Jen教授和付強博士合作開發了一種簡單有效的策略,通過在SnO2納米顆粒中引入草酸甲脒(FOA)來同時抑制SnO2體相和表面缺陷以及鈣鈦礦埋底界面處FA+/Pb2+相關缺陷,實現有效的靶向缺陷鈍化。甲脒離子和草酸根離子在SnO2層中均呈縱向梯度分布,主要聚集在SnO2/鈣鈦礦埋界面處,調節鈣鈦礦的晶體生長,降低體相及界面缺陷,改善鈣鈦礦和SnO2之間的能級匹配。此外,結果表明,FOA處理后的PSCs效率從22.40%提高到25.05%PSCs的存儲穩定性和光穩定性也顯著提升。該論文近期以Target Therapy for Buried Interface Enables Stable Perovskite Solar Cells with 25.05% Efficiency為題發表在Advanced Materials上,論文第一作者為冀曉霏博士博士生畢樂雨
 

1. (a) PSC紀錄PCE 的最新進展。(b)具有創紀錄PCE的器件結構和提高PSCPCE 界面工程。(c) FOA3D結構。(d) FOA策略的流程示意圖。(e) SnO2SnO2-FOA和鈣鈦礦的能級排列。(f) FOA分布示意圖及其對鈣鈦礦上層晶體生長的調節。(g) FOA在掩埋的SnO2/鈣鈦礦界面的鈍化功能示意圖。 


2. (a)SnO2SnO2-FOA膠體的粒徑分布直方圖。(b)SnO2(c) SnO2-FOA薄膜的SEM圖像及其AFM 圖像(插圖)。(d) ITO/SnO2-FOA/鈣鈦礦的的ToF-SIMS深度剖面。(e) SnO2SnO2-FOA的電子傳輸特性由空間電荷限制電流(SCLC)確定。(f)器件中使用的組件的能級排列示意圖。(g)原始 SnO2(h) SnO2-FOA薄膜的KPFM像。(i)KPFM中提取的原始SnO2SnO2-FOA薄膜的表面電位數據。 


3. 基于(a)原始SnO2(b)SnO2-FOA的鈣鈦礦薄膜的2D GIWAXS圖案。(c)FA0.985Cs0.015PbI(100)平面的積分強度和歸一化強度。(d)原始SnO2(e)SnO2-FOA上的鈣鈦礦薄膜的SEM圖像。(f)沉積在原始SnO2SnO2-FOA上的鈣鈦礦薄膜的XRD圖。(g)原始SnO(h) SnO2-FOA剝離的鈣鈦礦薄膜埋底界面的SEM圖像。(i)SnO2SnO2-FOA上剝離的鈣鈦礦薄膜鈣鈦礦薄膜埋底界面的XRD圖案。 


4. (a) SnO2SnO2-FOASn 3d XPS光譜。(b)SnO2(c)SnO2-FOAO 1sXPS光譜。(d)XPS譜顯示從SnO2SnO2-FOA剝離的埋底鈣鈦礦薄膜的Pb 4f(e)SnO2(f)SnO2-FOA基板上剝離的埋底鈣鈦礦薄膜的O元素EDS(g)基于SnO2SnO2-FOA的純電子器件在黑暗條件下的不同IV曲線。(h)參比器件和目標器件的暗J?V曲線。(i)1.0 V黑暗條件下阻抗譜  


5. (a) PSC截面SEM圖像。(b)基于原始SnO2SnO2-FOAPSC的優化J?V曲線。(c) EQE(d)穩態功率輸出。(e)效率統計(f)莫特-肖特基圖。(g)存儲在N2中未封裝PSC穩定性(h)未封裝PSC在連續照下存儲在N2中的穩定性。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303665


作者簡介


  第一作者:冀曉霏博士,2020年博士畢業于南開大學化學學院(導師:劉永勝教授)。2020年10月-2022年11月在南方科技大學從事博士后研究(合作導師:郭旭崗教授)。2022年9月至今,在中國科學院上海高等研究院基礎交叉中心魯林峰團隊擔任助理研究員。研究方向主要集中在鈣鈦礦及鈣/硅疊層太陽能電池的相關材料與器件,目前以第一作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、J. Mater. Chem. A等國際期刊發表學術論文8篇。


  通訊作者:付強博士,2016年本科畢業于蘭州大學(導師:魏華教授);2021年博士畢業于南開大學化學學院(導師:劉永勝教授)。2021-2022年,留組從事博士后研究(導師:劉永勝和陳永勝教授)。2022年9月至今,在香港城市大學Alex Jen教授團隊從事博士后研究。目前研究方向主要集中在太陽能轉化包括:先進能源材料開發,鈣鈦礦太陽能電池和組件,近三年以第一或通訊(含共一)作者于J. Am. Chem. Soc.(2), Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.(4) 等國際期刊發表論文17篇, ESI高被引論文3篇。


  通訊作者:任廣禹教授(Alex Jen),專注于跨學科研究,范疇涵蓋光子學、能源、傳感器及納米醫學等領域的功能材料和器件。任廣禹教授是歐洲科學院外籍院士和華盛頓州立科學院院士、香港城市大學李兆基講座教授(材料科學)、香港清潔能源研究院院長、化學系講座教授及材料科學系講座教授,在2016年至2020年間擔任香港城市大學副校長。目前發表SCI研究論文1000余篇,并曾獲邀作演講650多次,著作獲引用超過80000次,H-index為150。


  通訊作者:郭旭崗教授,主要研究領域為有機半導體材料與光電器件,在n-型高分子半導體材料與器件方向做出了國際領先水平的研究成果,發現了有機半導體的催化n-型分子摻雜技術。在Nature、Nature Mater.、Nature Photon.、Nature Energy、Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、Acc. Mater. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angewandte Chemie、PNAS、Advanced Materials等期刊發表論文210余篇,受Chem. Rev.、Nature Mater.、Nature Energy、Chem、高分子學報等期刊約稿撰寫專論、展望及綜述。論文被引用13000余次,H-index為57。

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(責任編輯:xu)
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