AFM：提高基于單層分子修飾的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池效率并獲得超過25%的全鈣鈦礦疊層太陽能電池

有機-無機鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 的功率轉換效率 (PCE) 已達到 25.7%。因此被認為是下一代光伏市場的主導者。迄今為止，已經報道了帶隙在 1.2 和 2.3 eV 之間的 PSCs。雖然具有窄帶隙值的單結 PSCs 自 2014 年以來受到了廣泛的關注，然而作為鈣鈦礦材料的一員，寬帶隙鈣鈦礦 (WBG-PVK) 也不容忽視，因為它對于串聯太陽能電池很重要。截至目前，鈣鈦礦/鈣鈦礦串聯的效率已達到28%。為了提高串聯電池的效率，必須提高頂部和底部電池的效率。

近日，日本國立電氣通信大學沈青教授 （Qing Shen）和早瀬修二教授 （Shuzi Hayase）團隊在Advanced Functional Materials上發表了題目為 “Perovskite Solar Cells Consisting of PTAA Modified with Monomolecular Layer and Application to All-Perovskite Tandem Solar Cells with Efficiency over 25%” 的研究文章，該文章報道了使用一系列具有不同烷基鏈長度的單分子層來修飾PTAA空穴傳輸層，提高了基于PTAA的寬帶隙（1.77eV）鈣鈦礦太陽能電池的效率。同時，相應的全鈣鈦礦疊層電池也取得了25.24%的效率。

圖 1. a) 用于表面改性的器件結構和分子結構以及單分子的化學結構。 b) PTAA 和 4,3BuPACz 之間的化學相互作用示意圖。 c) 在用單分子層修飾的 PTAA 上生長的 WBG 鈣鈦礦的晶粒尺寸分布。 d) 在用單分子層修飾的 PTAA 上生長的 WBG 鈣鈦礦的晶格應變。e) 在用單分子層修飾的 PTAA 上生長的 WBG 鈣鈦礦的 Urbach 能量。

圖 2.在 PTAA，PTAA/3,3PrPACz，PTAA/4,3BuPACz 和 PTAA/6,3HePACz基底上制造的PSC 的a) PCE 統計分布圖，b) J-V 曲線， c) IPCE 曲線和?d)穩態效率隨時間的變化。 e) 在 PTAA 和用 4,3BuPACz 改性的 PTAA 上制造的 PSC 在室溫下儲存在充滿氮氣的手套箱（無封裝）中的 N2 穩定性。f) 在 PTAA 和用 4,3BuPACz 改性的 PTAA 上制造的未封裝 PSC 的熱穩定性，在黑暗中保持在 85 ℃ 的氮氣手套箱中。

圖 3. a) 在 PTAA，PTAA/3,3PrPACz，PTAA/4,3BuPACz 和 PTAA/6,3HePACz基底上制造的PSC 的 V_OC?與光強度的關系，b) TPV 衰減曲線和 c) TPC 衰減曲線。 d) 器件的能帶排布示意圖。

圖4 a) 全鈣鈦礦串聯太陽能電池的結構。 b) 串聯太陽能電池的 J-V 曲線和 c) IPCE 曲線。

總之，作者合成了幾種新的單層分子（3,3PrPACz、4,3BuPACz 和 6,3HePACz），并評估了其作為 PTAA 修飾層的效果。結果表明，具有四個碳作為間隔基團的 單層分子給出了最好的結果。 實驗結果表明，引入4,3BuPACz后，鈣鈦礦薄膜的質量（晶粒尺寸和針孔密度）有明顯改善。單層分子的引入減少了器件中的非輻射復合，降低了鈣鈦礦和 HTL 之間的能帶差距，促進了 HTL 的電荷收集。 最后，基于4,3BuPACz 修飾的 PSC 實現了 16.57% 的PCE，同時串聯太陽能電池的 PCE 為 25.24%。 這項工作表明，用 單分子層修飾PTAA 可以提高寬帶隙的 Pb-PSC的效率。

相關論文發表在 Advanced Functional Materials上，日本國立電氣通信大學博士生畢歡(ORCID: 0000-0001-7680-9816)為第一作者，早瀬修二教授和沈青教授(ORCID: 0000-0001-8359-3275)為通訊作者。

文獻鏈接

Citation: Bi, H., Fujiwara, Y., Kapil, G., Tavgeniene, D., Zhang, Z., Wang, L., Ding, C., Sahamir, S. R., Baranwal, A. K., Sanehira, Y., Takeshi, K., Shi, G., Bessho, T., Segawa, H., Grigalevicius, S., Shen, Q., Hayase, S., Perovskite Solar Cells Consisting of PTAA Modified with Monomolecular Layer and Application to All-Perovskite Tandem Solar Cells with Efficiency over 25%. Adv. Funct. Mater. 2023, 2300089. https://doi.org/10.1002/adfm.202300089

本文由作者供稿