研究成就與看點

這篇研究是由沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)的 Stefaan De Wolf 教授與美國西北大學(xué)Edward H. Sargent教授團隊連手，發(fā)表于期刊 Advanced Energy Materials。論文題目為"Efficient Narrow Bandgap Pb‐Sn Perovskite Solar Cells Through Self‐Assembled Hole Transport Layer with Ionic Head"。

針對窄能隙鉛錫(Pb-Sn)鈣鈦礦太陽能電池中，常用電洞傳輸層PEDOT:PSS與鈣鈦礦埋藏接口之間，因聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)與Sn2+反應(yīng)而導(dǎo)致的性能問題，提出創(chuàng)新方法合成一種新型的咔唑基自組裝單分子層(SAM)，名為BrNH3-4PACz。此SAM具有雙重功能：咔唑基團附著的烷基膦酸錨定基團在氧化銦錫(ITO)電極表面提供合適的偶極矩，以實現(xiàn)有效的電洞提取；離子性的銨溴化物端基則鈍化鈣鈦礦底部表面并調(diào)節(jié)其結(jié)晶。

研究重要成果包括

•電池性能：使用BrNH3-4PACz作為電洞傳輸層的p-i-n結(jié)構(gòu)窄能隙Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池，實現(xiàn)了23.0%的最高功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)和0.88 V 的開路電壓(VOC)，這在文獻報導(dǎo)中屬于最高值之一。

•顯著的性能提升與低遲滯：相較于常用的2PACz和 MeO-2PACz SAM，使用BrNH3-4PACz的組件展現(xiàn)出顯著更高的VOC、短路電流密度(JSC)和填充因子(FF)，且遲滯現(xiàn)象更小。

•更快的電荷轉(zhuǎn)移速率：瞬態(tài)吸收光譜測量顯示，BrNH3-4PACz具有更快的電荷轉(zhuǎn)移速率。

•強相互作用與缺陷鈍化：第一原理計算(DFT)模擬表明，BrNH3+-4PACz與鈣鈦礦表面具有更強的相互作用，并能有效鈍化晶格缺陷。此研究成功解決了窄能隙Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池中，由于傳統(tǒng)電洞傳輸層PEDOT:PSS引起的接口問題，透過創(chuàng)新的雙功能自組裝單分子層，顯著提升了電池的性能。

研究團隊

這篇研究的通訊作者為沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)的 Stefaan De Wolf 教授，參與這篇研究的學(xué)校主要有：

l 沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)

l 美國西北大學(xué) (Northwestern University)

l 立陶宛考納斯理工大學(xué) (Kaunas University of Technology)

研究背景

單接面鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)效率已達26.1%，接近理論極限，因此開發(fā)疊層太陽能電池成為突破效能限制的關(guān)鍵。窄能隙鉛錫(Pb-Sn)鈣鈦礦(能隙1.21-1.25 eV)是理想的底層光吸收材料，但其性能仍受限于界面問題。

盡管研究者已著重于塊體工程和表面處理，Pb-Sn鈣鈦礦與電洞傳輸層(HTL)的埋藏接口卻常被忽視。目前常用的PEDOT雖能量對準(zhǔn)良好，但其PSS成分會氧化Sn2+成Sn4+，并與Au和Ag等金屬產(chǎn)生不良反應(yīng)，降低組件性能。

咔唑基自組裝單分子層(SAMs)在純鉛PSCs中表現(xiàn)良好，能提高透明導(dǎo)電氧化物電極的功函數(shù)，促進電洞提取。然而在窄能隙PSCs中，ITO/SAM結(jié)構(gòu)的VBM(-5.4至-5.9 eV)較深，難以與Pb-Sn鈣鈦礦的淺VBM(-5.1至-5.3 eV)達成良好對準(zhǔn)，且常需額外表面活性劑處理。

因此，設(shè)計新型多功能SAM分子以解決窄能隙Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池中HTL問題成為當(dāng)前研究的迫切需求，旨在克服現(xiàn)有HTL局限性，提升電池整體效能。

解決方案

研究團隊設(shè)計并合成了一種新型的咔唑基自組裝單分子層(SAM)分子，名為BrNH3-4PACz。這個分子的雙重功能，旨在克服傳統(tǒng)電洞傳輸層(HTL)在窄能隙Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池應(yīng)用中的限制。

雙功能設(shè)計：

?咔唑基頭部與烷基膦酸錨定基團的結(jié)合，可以在氧化銦錫(ITO)電極表面提供合適的偶極矩，實現(xiàn)與窄能隙鈣鈦礦的理想能帶對準(zhǔn)，從而促進有效的電洞提取。

?離子性的溴化銨 (ammonium bromide) 基團位于咔唑頭部，能夠鈍化鈣鈦礦的底面并調(diào)節(jié)其結(jié)晶。

解決方案的關(guān)鍵機制：

?優(yōu)化能量對準(zhǔn)：BrNH3-4PACz使得ITO電極的功函數(shù)與Pb-Sn鈣鈦礦的價帶頂部(VBM)更好地對準(zhǔn)，相較于傳統(tǒng)的2PACz和MeO-2PACz，其能帶偏移更小，有助于提升電洞提取效率。

?鈍化界面缺陷：溴化銨基團可以離解成銨離子(-NH3+)和溴離子(Br-)，鈍化鈣鈦礦晶格中的A位陽離子缺陷和碘陰離子缺陷，減少非輻射復(fù)合損失，從而提升開路電壓(VOC)。

?改善結(jié)晶動力學(xué)：離子性基團有助于調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程，減少晶界和體積缺陷密度，進而提升短路電流密度(JSC)和整體電池性能。

實驗過程與步驟

•BrNH3-4PACz的合成：合成新型的咔唑基SAM分子BrNH3-4PACz。

•鈣鈦礦前驅(qū)物溶液的制備：在氮氣保護的手套箱中，混合了碘化銫(CsI)、碘化甲脒(FAI)、碘化甲胺(MAI)、碘化鉛(PbI2)、碘化錫(SnI2)、氟化錫(SnF2)、硫氰酸胍(GuaSCN)和溴化4-氟苯乙銨(4F-PEABr)于無水DMF和DMSO的混合溶劑中，制備了Cs0.05FA0.70MA0.25Sn0.50Pb0.50I3鈣鈦礦前驅(qū)物溶液，并在黑暗中劇烈攪拌2小時后，使用 0.20 µm PTFE 濾器過濾備用。

•鈣鈦礦薄膜的制備：

?將ITO基板經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)清潔流程和UV-O3處理。

?通過在 3000 rpm 下旋涂35秒，將 1 mM 濃度的SAM溶液（BrNH3-4PACz使用甲醇/乙醇 (1:1 v/v) 混合溶劑，2PACz和MeO-2PACz使用乙醇）錨定在ITO基板上。

?之后在100°C下退火10分鐘。

?在氮氣保護的手套箱中，將鈣鈦礦前驅(qū)物溶液以 1000 rpm 旋涂10秒，然后以 4000 rpm 旋涂40秒到SAM修飾的ITO基板上。

?在第二步旋涂結(jié)束前20秒進行反溶劑淬滅。

?基板立即轉(zhuǎn)移到加熱板上，在100°C下退火10分鐘。

?部分薄膜通過旋涂1,2-二氨基乙烷的氯苯溶液進行后處理鈍化，然后在100°C下退火5分鐘。

•太陽能電池組件的制備：制備了倒置p-i-n結(jié)構(gòu)的單接面太陽能電池，結(jié)構(gòu)為玻璃/ITO/SAM/Cs0.05FA0.70MA0.25Pb0.5Sn0.5I3/EDA/C60/BCP/Ag。在鈣鈦礦薄膜上旋涂乙二胺(EDA)溶液作為鈍化層。通過熱蒸鍍沉積 C60 (電子傳輸層)和 BCP (緩沖層)。最后，通過熱蒸鍍沉積銀(Ag)電極。

研究成果與表征

準(zhǔn)費米能級分裂(QFLS)光譜量測

QFLS與太陽能電池的開路電壓VOC的理論極限相關(guān)，是評估光吸收層質(zhì)量和非輻射復(fù)合損失的重要指標(biāo)。更高的QFLS通常意味著更少的能量損失和更高的VOC潛力。

圖3d-f：分別展示了在ITO/2PACz、ITO/MeO-2PACz和ITO/BrNH3-4PACz基板上制備的窄能隙鈣鈦礦薄膜的準(zhǔn)費米能級分裂(QFLS)成像圖。顏色深淺代表QFLS的大小。

圖3g：展示了對圖3d-f中QFLS分布數(shù)據(jù)的直方圖分析，更清晰地顯示了不同SAMs對QFLS值的影響。

結(jié)果顯示，使用BrNH3-4PACz的鈣鈦礦薄膜展現(xiàn)出比使用其他SAMs的薄膜高出超過 60 mV 的QFLS增強。這表明BrNH3-4PACz的雙重功能——優(yōu)化能量對準(zhǔn)和鈍化HTL/鈣鈦礦埋藏界面——有效地減少了能量損失，這與器件性能的提升相符。

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電流密度-電壓(J-V)曲線量測

評估太陽能電池組件的光伏性能，J-V曲線的形狀也能反映組件的電荷傳輸和復(fù)合情況，例如是否存在遲滯現(xiàn)象。

圖2c展示了使用不同SAMs的最佳組件在正向和反向掃描下的J-V曲線。

圖2e-h以箱線圖的形式展示了使用不同 ITO/SAM HTLs 制備的窄能隙Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的VOC、JSC、FF和PCE的統(tǒng)計分布。

結(jié)果顯示，使用BrNH3-4PACz作為HTL的組件展現(xiàn)出顯著更高的 VOC (平均 0.88 V)、JSC和 FF (80%)，且數(shù)據(jù)偏差更小，相較于使用 2PACz (VOC 約 0.80 V，FF約70%)和 MeO-2PACz (VOC 約 0.79 V，FF約61%)的組件。最佳的BrNH3-4PACz組件取得了23.0%的PCE，VOC為 0.88 V，JSC為 32.2 mA cm?2，FF為81.9%。

使用2PACz和MeO-2PACz的組件的J-V曲線表現(xiàn)出明顯的遲滯現(xiàn)象，這表明電荷在HTL/鈣鈦礦界面存在不平衡和累積。而BrNH3-4PACz組件的遲滯現(xiàn)象則明顯減輕，顯示出優(yōu)異的電荷提取特性。表S3進一步總結(jié)了最佳組件的光伏參數(shù)。

外量子效率(EQE)量測

測量太陽能電池在不同波長光照下的光譜響應(yīng)，反映電池對不同波長光子的收集效率。

圖2d顯示了使用不同SAMs的窄能隙太陽能電池的EQE光譜。使用BrNH3-4PACz的組件在整個可見光和近紅外波長范圍內(nèi)都表現(xiàn)出更高的光譜響應(yīng)，這與其較高的JSC相一致。通過積分EQE曲線得到的JSC值與J-V測量結(jié)果相符，進一步證實了BrNH3-4PACz有效提升了電荷收集效率。

其他表征

X射線光電子能譜(XPS)

分析ITO/SAM表面的元素組成和化學(xué)態(tài)，驗證SAM分子的成功錨定以及BrNH3頭基的完整性。（圖S1b、圖1b-d、表S2、圖S7c）

紫外光電子能譜(UPS)：

測定ITO/SAM和鈣鈦礦的功函數(shù)(WF)和價帶頂部(VBM)，從而分析界面能級排列情況，判斷電荷注入和提取的勢壘大小。（圖1i）

原子力顯微鏡(AFM)：

觀察ITO/SAM薄膜的表面形貌，測量其粗糙度，以評估SAM層的覆蓋均勻性。（圖S3a-c）

開爾文探針力顯微鏡(KPFM)：

測量ITO/SAM表面的表面電勢和功函數(shù)分布，進一步驗證SAM分子對ITO功函數(shù)的調(diào)制效果。（圖1e,f和S3d-f）

瞬態(tài)吸收(TA)光譜：

研究窄能隙鈣鈦礦中激發(fā)電荷載流子的動力學(xué)過程，包括電荷轉(zhuǎn)移速率和載流子壽命，從而理解不同SAMs對電洞提取效率的影響。（圖S10、圖3a和S11-S12、圖3b,c和S12，表S5）

空間電荷限制電流(SCLC)量測：

通過分析電洞專用器件在黑暗條件下的電流-電壓特性，確定陷阱填充極限電壓(VTFL)，從而評估鈣鈦礦薄膜中的陷阱密度。較低的VTFL對應(yīng)于較低的陷阱密度。（圖S9b）

密度泛函理論(DFT)模擬：

從原子層面研究ITO/SAM/鈣鈦礦界面的缺陷情況，以及引入離子銨基團對界面相互作用和電子結(jié)構(gòu)的影響。（圖4和S14，表S6）

X射線繞射(XRD)：

分析在不同ITO/SAM層上制備的鈣鈦礦薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度。（圖S6a,b）

掃描電子顯微鏡(SEM)：

觀察在不同ITO/SAM層上生長的鈣鈦礦薄膜的表面形貌和晶粒尺寸。（圖S5）

結(jié)論

研究團隊成功設(shè)計并合成了一種全新的咔唑基自組裝單分子層BrNH3-4PACz，并展現(xiàn)了優(yōu)異的性能。這種分子具備雙重功能：咔唑頭基能穩(wěn)固地附著于氧化銦錫（ITO）電極表面，透過合適的偶極矩來優(yōu)化與窄能隙鈣鈦礦的能級對準(zhǔn)，同時提升電洞提取效率。此外，頭基上的離子性溴化銨部分還能有效鈍化鈣鈦礦底表面并調(diào)控其結(jié)晶過程，進一步改善材料質(zhì)量。

透過這種精心設(shè)計的分子結(jié)構(gòu)，成功制備了p-i-n架構(gòu)的窄能隙Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池，其能隙為 1.24 eV。實驗結(jié)果顯示，以BrNH3-4PACz作為電洞傳輸層的組件表現(xiàn)出色，最佳電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）高達23.0%，并實現(xiàn)了0.88 V 的開路電壓（VOC）及81.9%的填充因子（FF）。

相較于使用傳統(tǒng)SAM（如2PACz和MeO-2PACz）的組件，BrNH3-4PACz使組件的準(zhǔn)費米能級分裂（QFLS）提升了超過 60 mV，這與更低的VOC損耗和更高的器件性能相吻合。觀察結(jié)果顯示，最終的VOC損失僅為 370 mV，處于目前的Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池之列。

密度泛函理論（DFT）模擬進一步證實，BrNH3-4PACz中的離子性銨基部分有助于鈍化界面缺陷，進一步降低非輻射復(fù)合損失。整體而言，本研究設(shè)計的BrNH3-4PACz自組裝單分子層能夠有效調(diào)控ITO/HTL/鈣鈦礦界面，顯著提升電池效率與電壓。

文獻參考自Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/aenm.202404617

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