AM：量身定制的兩親性分子緩解劑可使鈣鈦礦太陽能電池效率達23.5％

【引言】

界面缺陷的鈍化是實現高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的有效手段。然而，當前用于減輕此類缺陷的大多數分子調節劑在鈣鈦礦與電荷收集層的界面處會形成導電不良的聚集體，從而阻礙了光生載流子的提取。本研究引入了一種經過精心設計的鈍化劑，即4-叔丁基-芐基碘化銨（tBBAI），其龐大的叔丁基基團可防止由于空間排斥而產生的有害聚集。發現用tBBAI進行簡單的表面處理可以顯著加速從鈣鈦礦到螺-OMeTAD空穴傳輸劑中的電荷提取，同時阻礙了非輻射電荷載流子的重組。這將PSC的功率轉換效率（PCE）從大約20％提高到23.5％，從而將磁滯降低到幾乎無法檢測到的水平。重要的是，tBBAI處理將填充因子從0.75提高到0.82的極高值，這與理想因子從1.72降低到1.34是一致的，證實了無輻射載流子重組的抑制。叔丁基還提供了疏水性保護傘，可保護鈣鈦礦薄膜免受周圍水分的侵蝕。結果，在連續模擬太陽輻射下，在最大功率點跟蹤下，全日照500小時后，PSC表現出優異的操作穩定性，可保留其初始PCE的95％以上。

【成果簡介】

近日，天津大學的李祥高教授聯合洛桑聯邦理工大學的yuhang Liu和Michael Gr?tzel（共同通訊）在Adv. Mater.上發表了一篇題為“Tailored Amphiphilic Molecular Mitigators for Stable Perovskite Solar Cells with 23.5% Efficiency”的文章。在這項工作中，研究人員量身定制了基于碘化芐基銨的缺陷緩解劑，從而使PCE達到23.5％。構思并合成了新型分子鈍化劑4-叔丁基-芐基碘化銨（tBBAI）。 tBBAI的龐大叔丁基取代基可防止空間排斥引起的有害聚集。tBBAI表現出出色的鈍化能力，這是由于鈣鈦礦薄膜中光致發光量子產率（PLQY）的提高以及較大的準費米能級分裂（ΔE_F）所致，從而導致高開路電壓（VOC）為1.142V。本研究使用的鈣鈦礦富含碘化物，I：Br = 97：3，光學帶隙低至1.55 eV。因此，優化器件的電壓損耗約為410 mV，接近輻射極限的90％。這被認為是PSC的最低電壓損耗之一。時間分辨光致發光（TRPL）實驗表明，具有tBBAI界面層的PSC與控制裝置相比，從鈣鈦礦層到HTL的電荷轉移增強，這可能是由于高極化鈣鈦礦層與高鈣鈦礦層之間的更好接觸而導致空穴提取勢壘降低。非極化HTL，導致填充因子（FF）顯著改善，比75％改善了82％。另外，具有更多疏水性叔丁基取代基的器件賦予了tBBAI鈍化鈣鈦礦，更好的耐濕性。 這些結果結合起來，高效的介觀PSC達到了PCE的23.5％，其中VOC和FF分別高達1.142 V和82.1％。除了出色的PV性能外，tBBAI鈍化的PSC在模擬全日照下500 h的PV運行期間仍可保持其初始效率的95％以上。

【圖文導讀】

圖1 PEAI和tBBAI結構及圖像

A）PEAI和tBBAI的化學結構；

B）鈍化tBBAI的PSC的結構；

C–E）分別為純鈣鈦礦膜，PEAI鈍化的鈣鈦礦膜和tBBAI鈍化的鈣鈦礦膜的SEM圖像。

圖2 鈣鈦礦光譜圖

A）純鈣鈦礦、鈣鈦礦/PEAI和鈣鈦礦/tBBAI膜的XPS光譜；

B）各種膜的高分辨率去卷積碳1s光譜；

C）鈣鈦礦/tBBAI膜的3d XPS深度剖面；

D）鈣鈦礦、鈣鈦礦/ PEAI和鈣鈦礦/ tBBAI薄膜的XRD圖譜。

圖3?樣品進行TRPL測量

A）用于層結構玻璃/ FTO / mp Al₂O₃ /鈣鈦礦/無表面層的TRPL（對照，藍色），PEAI（紅色）和tBBAI（黑色）；

B）含HTL的樣品的TRPL測量，不帶界面層，帶PEAI和帶tBBAI。

圖4 鈣鈦礦薄膜具有不同界面層和HTL的外部PLQYext

A）具有HTL的層結構玻璃/ FTO / c-TiO₂ / mp-TiO₂ /鈣鈦礦/界面層的PLQY；

B）用于層結構玻璃/ FTO /緊湊-TiO₂ /介觀-TiO₂ /鈣鈦礦/界面層/ HTL的穩定的VOC和準費米能級分裂ΔE_F/q，還顯示了30分鐘的光浸泡后穩定的VOC。

圖5 新型鈍化劑在太陽能電池中的優勢

A）反向PSC的IV曲線；

B）在環境空氣下的前330秒內對PSC進行MPP跟蹤；

C）PSC的IPCE；

D）光強度的VOC依賴性與理想因子n_id。

圖6 通過MPP的PSC獲得的運營穩定性數據

A）MPP老化會在惰性氣氛（N₂）中，并在1個陽光下連續照射不鈍化的PSC，以及用PEAI和tBBAI鈍化的PSC；

B）鈣鈦礦膜表面（對照）和鈍化鈣鈦礦膜表面的水滴圖像。

【小結】

本文開發了一種新型表面鈍化劑tBBAI。電光特征表明，tBBAI鈍化的鈣鈦礦膜表現出較少的非輻射電荷載流子復合，即較低的缺陷密度，并且顯著改善了從鈣鈦礦膜到HTL的電荷提取。可觀察到，與PEAI相比，tBBAI的VOC增加了≈20 mV；與沒有鈍化的鈣鈦礦薄膜相比，卻使VOC增加了約50 mV。該tBBAI產生了23.5％的PCE，這是迄今為止達到的最高PSC效率之一。此外，與PEAI相比，tBBAI的疏水性增強，從而提高了耐濕性，從而提高了操作穩定性。追蹤了500 h MPP后，帶有tBBAI的PSC保留了其初始PCE的95％以上，并且在環境濕度為50％至70％的環境空氣中老化55天后保留了其初始PCE的90％以上。本工作提供了一種簡單而有效的方法來制造具有出色效率和高操作穩定性的高效PSC。

文獻鏈接：Tailored Amphiphilic Molecular Mitigators for Stable Perovskite Solar Cells with 23.5% Efficienc（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201907757）

本文由水手供稿。