FF值突破0.8，PSCs又發一篇Science子刊！

【背景介紹】

雜化有機-無機鹵化物鈣鈦礦是一種很有吸引力的光電材料，具有成本低、易制造、全色吸收太陽光強、載流子擴散長度長等優點。具有常規（n-i-p）結構的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉換效率（PCEs）最高已達到25.5%。但是，倒置（p-i-n）PSCs的PCE明顯低于常規結構器件。盡管開路電壓（V_oc）、短路電流（J_sc）和填充因子（FF）對PCE有著高度的相關性和協同作用，但大多數研究者主要致力于優化V_oc和J_sc，而不是理解和優化FF值。通常，PSCs的FF值在0.7到0.8之間，即使PCEs在22.7%到23.3%的器件，其FF值也低于0.8。優化FF，通常需要低串聯電阻（R_s）和高并聯電阻（R_sh）。PSCs中的R_s由導電基底、電子和空穴傳輸層（ETL和HTL）等確定，因此提高ETL和HTL的電導率和遷移率有助于優化FF值。為提高R_sh值，應盡可能減小載流子復合引起的漏電流。雖然已提出了許多鈍化方法來降低缺陷密度，顯著提高Rsh和減少缺陷誘導的復合。當小分子作添加劑時，其高揮發性和高擴散系數可能使PSCs在極端條件下難以保持長期穩定性。當使用聚合物作為添加劑時，其具有一維（1D）線性結構，在修飾鈣鈦礦薄膜的表面時只能表現出單一的鈍化效應。很少有研究者通過具有多個分支和每個分支上有多個官能團的三維（3D）聚合物直接鈍化鈣鈦礦薄膜。

【成果簡介】

近日，西北工業大學李炫華教授和瑞士洛桑聯邦理工大學Michael Gr?tzel教授（共同通訊作者）等人報道了一種3D星形多面體低聚倍半硅氧烷-聚甲基丙烯酸三氟乙酯-b-聚甲基丙烯酸甲酯（PPP）聚合物作為調節鈣鈦礦薄膜結晶的新型調節劑。星形PPP材料中作為核心的多面體低聚倍半硅氧烷被八個支鏈包圍，包括聚甲基丙烯酸三氟乙酯和聚甲基丙烯酸甲酯分子鏈。核心是一種有機-無機分子內雜化材料，具有高度對稱的剛性Si-O-Si立方籠骨架，可以提供PPP材料的3D結構穩定性。在PPP聚合物分支上，有多個化學錨定位點，包括羰基（C=O）和-CF₃，它們作為3D骨架模板鈍化晶界和界面表面的缺陷，抑制非輻射復合和電荷輸運損失，并改善在水分、熱，光照應力。測試結果表明，PPP改性的倒置器件獲得了最佳的22.1%的PCEs和高達0.862的FF值。在大氣環境下（40% RH、25 ℃）暴露6000 h后，非封裝改性器件顯示出顯著增強的環境穩定性，保持超過93%的初始效率。封裝后的改進型器件具有良好的工作穩定性，在45 ℃一次太陽光照下最大功率點跟蹤1000 h后，效率幾乎沒有變化；在75 ℃一次太陽光照下連續1000 h，熱穩定性仍舊非常好，初始效率保持在91%。研究成果以題為“Efficient and stable inverted perovskite solar cells with very high fill factors via incorporation of star-shaped polymer”發布在國際著名期刊Science Advances上。

【圖文解讀】

圖一、PPP聚合物和鈣鈦礦之間的相互作用
（A）PPP聚合物的結構式；

（B）PPP聚合物與鈣鈦礦相互作用示意圖；

（C）PPP聚合物、PbI₂和PPP-PbI₂的FTIR光譜；

（D）C=O的指紋區；

（E-F）對照組和PPP改性鈣鈦礦薄膜中Pb 4f和N 1s的XPS光譜；

（G）FAI和FAI-PPP混合物的¹H NMR光譜；

（H）MABr和MABr-PPP 混合物的¹H NMR光譜。

圖二、鈣鈦礦薄膜的形態和結構特性
（A-B）對照組和PPP改性鈣鈦礦薄膜的俯視SEM圖像；

（C-D）對照組和PPP改性鈣鈦礦薄膜的橫截面SEM圖像；

（E）PPP改性鈣鈦礦晶體的高分辨率TEM圖像；

（F）（E）中紅色框的放大TEM圖像；

（G）對照組和PPP改性鈣鈦礦薄膜的XRD譜。

圖三、光伏性能
（A）PP改進PSCs的器件結構；

（B）對照組和PPP改進器件的正向和反向掃描中獲得的J-V曲線；

（C）在0.91和0.97 V下，對照組和PPP改進器件的光電流和SPO；

（D）對照組和PPP改進器件的EQE譜和積分電流；

（E）對照組和PPP改進設備的20個PSCs的PCE直方圖；

（F）收集FFs與PCE，報道倒置PSCs。

圖四、PPP改性對鈣鈦礦薄膜電效應的影響
（A-B）SSPL、對照組和PPP改性鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜；

（C）1/C²與控制和PPP改進PSCs中施加的電壓圖（Mott-Schottky）；

（D）器件中V_oc與J_sc的對數作圖；

（E）對照組和PPP 改進PSCs的J-V曲線；

（F）器件FF S-Q限制包括電荷傳輸損耗和非輻射損耗。

圖五、穩定性
（A）非封裝對照組器件和PPP改進器件的空氣穩定性；

（B）在45 °C一次太陽光照下，在空氣中有無PPP改進的封裝PSCs的最大功率點（MPP）跟蹤；

（C）封裝對照組器件和PPP改進器件的熱穩定性；

（D-E）對照組和PPP改進的無電極PSCs器件在75 °C和全譜太陽光照下、N₂氣氛中熱老化300 h前后的ToF-SIMS深度曲線。

【小結】

綜上所述，作者設計了一種3D星形多功能PPP聚合物來修飾用于倒置PSCs器件的鈣鈦礦薄膜。PPP改進的倒置PSCs獲得了最佳的22.1%的PCEs和高達0.862的FF值。作者還使用了一個修正的細致平衡模型來確認，相對于其S-Q極限（0.904），PPP修正器件中FF（0.862）的損失主要是由缺陷誘導的復合引起的，而不是由R_s和R_sh引起。如果非輻射載流子復合由Shockley-Read-Hall體機制控制，則從S-Q限值1.32 V下降到觀測值1.10 V的主導因子Voc將對應于0.820的FF值，低于0.862的測量值。因此，表面復合可能是PPP修飾器件中的主要復合機制。通過鈍化界面中的缺陷來進一步提高FF，使其接近S-Q極限0.904是可行的。改進后的器件在環境中表現出顯著的增強，在暴露于RH為40%的空氣中6000 h后，其初始效率保持在93%以上。經PPP修飾的封裝器件同樣表現出顯著的操作和熱穩定性的改善，在45 ℃連續一個太陽光照下，在最大功率點運行1000 h后，而沒有效率損失。因此，在鈣鈦礦型薄膜中引入星形多功能分子，極大地提高了其性能，特別是在倒置PSCs結構中的性能，為這些太陽能電池的實際應用開辟了新的方向。

文獻鏈接：Efficient and stable inverted perovskite solar cells with very high fill factors via incorporation of star-shaped polymer. Science Advances, 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abg0633.

通訊作者簡介

李炫華，西北工業大學教授，倫敦瑪麗女王大學客座教授，“館藏壁畫保護修復與材料科學研究”國家文物局重點科研基地副主任，香港大學電子工程系（光電子學）博士，納米能源材料研究中心核心成員。從事納米光電材料與文物保護材料相關研究。主持國家、省部級等各類項目10余項，授權國家發明專利19項，以第一作者或通訊作者在Sci. Adv., Nature Commun., Chem.Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater., 等國際期刊上發表論文65篇，影響因子大于15的論文23篇， 11 篇文章被選為封面。 入選國家萬人計劃“青年拔尖人才”，陜西省科技重點創新團隊負責人，陜西省高層次人才“特支計劃“青年拔尖人才，陜西省青年科技新星，西北工業大學翱翔青年學者等。

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西北工業大學李炫華團隊依托西北工業大學材料學院和文化遺產研究院，招聘教授、副教授研究人員。研究方向：鈣鈦礦電池，光催化制氫，二氧化碳還原和殺菌相關，應聘人員請發簡歷到 lixh32@nwpu.edu.cn。

本文由CQR編譯。

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