近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其優異的光電轉換效率和低成本優勢， 成為備受關注的下一代光伏技術。 但是， 鈣鈦礦材料本身存在著一些固有的問題， 例如界面缺陷、 載流子復合以及環境不穩定性等， 這些問題阻礙了鈣鈦礦太陽能電池走向大規模應用。
為了解決這些問題， 科學家們一直在探索新的材料和技術， 其中一項重要的研究方向是通過對器件的界面進行優化， 抑制非輻射復合過程， 提升器件的穩定性和效率。
近期， 河南大學李萌教授團隊 在 Advanced Materials 期刊上發表了一篇重磅研究成果。 他們通過將多功能偶極分子 tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium (TFHSP)應用于反式鈣鈦礦太陽能電池， 有效抑制了鈣鈦礦/電子傳輸層 (ETL) 界面的非輻射復合損失， 最終實現了電池效率和穩定性的顯著提升。
【多功能偶極分子 TFHSP： 巧妙解決界面難題】
這項研究中使用的 TFHSP (Trifluoromethylsulfonyl Pyrrole，三氟甲磺基吡咯) 是一種多功能的偶極分子， 在鈣鈦礦太陽能電池的界面工程中具有重要的影響， 主要體現在以下幾個方面：
l 界面修飾: TFHSP 分子由于其偶極特性， 可以有效修飾鈣鈦礦與電極之間的界面， 改善界面的接觸性質， 從而減少界面處的缺陷和非輻射復合， 提高載流子的分離和傳輸效率。
l 能級匹配: TFHSP 分子可以調控界面能級， 使鈣鈦礦層與電極之間形成更好的能級匹配， 降低界面處的能量勢壘， 從而有助于電子或空穴的注入或提取， 提升光電轉換效率。
l 界面鈍化: TFHSP 分子具有良好的鈍化作用， 可以有效鈍化鈣鈦礦表面的缺陷態， 減少界面復合中心的數量， 降低非輻射復合損失， 提高開路電壓和填充因子。
l 穩定性增強: 由于 TFHSP 分子的存在， 可以形成更穩定的界面結構， 提高鈣鈦礦太陽能電池在不同環境條件下的穩定性， 延長器件的使用壽命。
其次， TFHSP 在鈣鈦礦和 ETL 之間形成了一個正極偶極層， 有效地優化了能級排列， 促進界面電荷的提取， 進一步提高了電池效率。
最后， TFHSP 和鈣鈦礦材料之間形成的強相互作用可以穩定鈣鈦礦材料的表面， 同時， TFHSP 分子中疏水的氟化部分可以防止水和氧氣進入鈣鈦礦層， 增強了器件的環境穩定性。
【效率與穩定性顯著提升， 推動鈣鈦礦太陽能電池技術進步】
采用 TFHSP 改性后的反式鈣鈦礦太陽能電池， 其光電轉換效率達到了 24.6%。 令人驚喜的是， 該器件展現了穩定性， 未封裝的器件在 60% 的相對濕度下， 放置在空氣中 1000 小時后， 仍然保持了 91% 的初始效率， 并在 35°C 條件下進行最大功率點跟蹤測試（MPP）500 小時后， 效率依然保持 95%。
為了更精確地研究鈣鈦礦材料的光電轉換效率， 該團隊還使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 和 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級太陽光模擬器， 分別用于測量電池在不同光譜范圍內的外量子效率 (EQE) 和模擬真實陽光照射條件。
這項研究的成功證明了， 通過采用多功能偶極分子可以有效地改善鈣鈦礦太陽能電池的界面特性， 進而提高電池效率和穩定性。 該研究成果為高性能、 長壽命鈣鈦礦太陽能電池的研發指明了新的方向。
河南大學李萌教授團隊利用多功能偶極分子 TFHSP， 成功地改善了反式鈣鈦礦太陽能電池的界面性質， 并提高了器件的效率和穩定性。 這項研究充分展現了在鈣鈦礦太陽能電池界面工程中， 應用多功能分子的潛力和優勢。 未來， 通過不斷探索新的功能性分子和優化界面工程技術， 鈣鈦礦太陽能電池將會展現更加優異的性能， 并最終走向更廣闊的應用領域， 推動可再生能源技術的發展。
重要技術參數：
鈣鈦礦太陽能電池效率: 24.6%
穩定性: 在空氣中 (60% 濕度) 儲存 1000 小時后， 保持了 91% 的初始效率； 在 35 °C 條件下進行 MPP 跟蹤測試 500 小時后， 效率依然保持 95%
關鍵技術: TFHSP 多功能偶極分子界面改性
關鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級太陽光模擬器
參考文獻
Inhibiting Interfacial Nonradiative Recombination in Inverted Perovskite Solar Cells with a Multifunctional Molecule_ Adv.Mater, 07 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202407433
【本研究參數圖】
Fig 4. 器件光伏性能。a) 器件結構示意圖及TFHSP與鈣鈦礦的相互作用。b) 對照組和c) TFHSP組的最佳鈣鈦礦太陽能電池的J–V曲線。d) 對照組和TFHSP組的最佳鈣鈦礦太陽能電池的EQE光譜和積分JSC。e) 電荷傳輸和非輻射復合損失對對照組和TFHSP組器件填充因子的影響。
Fig 3. 鈣鈦礦薄膜/器件的光電特性。a) 處理前后器件的陷阱態密度(tDOS)光譜。b) 處理前后器件的瞬態光電壓(TPV)，τ1和τ2分別表示對照組和TFHSP處理器件的載流子復合壽命。c) 處理前后單電子器件的陷阱密度，包括歐姆區、陷阱填充極限(TFL)區和Child區。d) 處理前后器件的光強依賴性開路電壓(VOC)。e) 處理前后鈣鈦礦太陽能電池的暗態J–V曲線。f) 處理前后器件的電化學阻抗譜(EIS)特性。
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文獻參考自 Adv.Mater, 07 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202407433
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