北卡羅來納大學黃勁松團隊Science：穩定高性能鈣鈦礦組件的鈣鈦礦襯底界面

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的認證功率轉換效率（PCEs）已經超過了小面積單結電池的25%，鈣鈦礦硅串聯電池的29%。然而，降解仍然是PSC商業化的一個關鍵挑戰。因為缺陷在PSCs的界面富集，所以降解從界面開始，包括鈣鈦礦-金屬電極和鈣鈦礦-襯底。然而，大多數研究工作都集中在通過表面鈍化或制備后處理來穩定鈣鈦礦-金屬電極界面，而嵌入的鈣鈦礦-襯底界面卻很少受到關注， 部分原因是SEM或AFM等形貌表征方法難以對其進行研究。然而，穩定嵌入的底部界面與穩定嵌入的頂部界面同樣重要。陷阱密度分析顯示，與鈣鈦礦-金屬電極界面相比，靠近襯底一側的鈣鈦礦層具有更高的缺陷濃度，特別是深層電荷陷阱。TEM顯示在該界面的鈣鈦礦含有非晶態區域或具有大界面面積的納米晶體。光從鈣鈦礦襯底界面入射，也使其更容易降解。

【成果簡介】

近日，在美國北卡羅來納大學教堂山分校黃勁松教授團隊等人帶領下，通過從襯底上剝離不同成分的葉片狀和紡絲狀鈣鈦礦薄膜，在鈣鈦礦-襯底界面上發現了高密度的空隙。這些空隙周圍的鈣鈦礦在光照下降解更快。這些空隙的形成與鈣鈦礦膜底部附近的非揮發性二甲基亞砜（DMSO）有關。碳酰肼（CBH）的固態鉛配位添加劑部分取代了DMSO，減少了界面空隙的形成，產生了刮刀涂布的p型/本征/n型(p-i-n)結構的PSCs，其最高穩定PCE為23.6%，組件效率為19.2%（50.0 cm2），得到國家可再生能源實驗室（NREL）認證。此外，減少的界面空隙和CBH 殘留物穩定了PSCs，提高了高效鈣鈦礦組件的產量。相關成果以題為“Stabilizing perovskite-substrate interfaces for high-performance perovskite modules”發表在了Science。

【圖文導讀】

圖1?通過剝離ITO玻璃襯底上的鈣鈦礦薄膜來研究鈣鈦礦-襯底界面的形貌

(A)用環氧樹脂密封劑從ITO玻璃襯底上化學剝離鈣鈦礦薄膜的SEM表征示意圖。(右)從ITO玻璃襯底上剝離的器件。

(B)由不同DMSO含量的前驅體溶液制備的鈣鈦礦薄膜界面的俯視圖SEM圖像。比例尺：1 μm。

(C)示意圖顯示了鈣鈦礦-襯底界面上孔洞是如何形成的。

(D)光浸透的MA_0.6FA_0.4PbI₃薄膜的鈣鈦礦-襯底界面的俯視圖SEM圖像。比例尺：1 μm。

圖2 鈣鈦礦薄膜的表征

(A) DMSO和CBH的化學結構。

(B) DMSO、CBH和加入DMSO和CBH的MA_0.6FA_0.4PbI₃薄膜的FTIR譜圖。

(C)鈣鈦礦薄膜從ITO玻璃襯底剝離后的鈣鈦礦-襯底界面的頂視圖SEM圖像。比例尺：1 μm。

(D) MA_0.6FA_0.4PbI₃薄膜的(底部)鈣鈦礦-襯底和(頂部)鈣鈦礦-空氣界面的XPS光譜。

(E)用485 nm激光從薄玻璃一側激發的 (左)對照和(右)鈣鈦礦薄膜的PL圖。

圖3?PSCs的光伏性能

(A) PSC的J-V曲線。插圖是PSC在1.04 V偏置電壓下穩定功率輸出600s。

(B) 65個PSCs的效率分布。

(C) 在空氣中1個太陽等效光照下處理的封裝對照組和目標組PSCs的運行穩定性測試結果。插圖是穩定性測試后，光照下的（左）對照組和（右）目標組PSCs的鈣鈦礦-襯底界面的俯視SEM圖像。比例尺：1 μm。

(D)對照組和目標組MA_0.6FA_0.4PbI₃薄膜在1個太陽光照下浸泡15小時的甲苯溶液的紫外-可見吸收光譜。

圖4?鈣鈦礦微型組件的光伏性能

(A)孔徑分別為17.9和50.1cm²的兩種鈣鈦礦微組件的J-V特性。

(B)孔徑面積為18.1和50.0cm²的微型組件的MPP點周圍的穩定電流-電壓點。

(C)112個微型組件的平均效率和孔徑面積的關系。插圖是112個微型組件的孔徑效率分布。

(D)5個鈣鈦礦微型組件在50℃模擬1個太陽光照下的長期運行穩定性結果。在~400小時PCE的突變是由于更換了剝離的PDMS抗反射層造成的。

文獻鏈接：Stabilizing perovskite-substrate interfaces for high-performance perovskite modules（Science，2021，DOI:10.1126/science.abi6323）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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