日本國立電氣通信大學早瀨修二&沈青&考納斯理工大學Saulius Grigalevicius. ACS AMI: 從PTAA能帶彎曲的角度看單分子層表面鈍化PTAA寬帶鉛鈣鈦礦太陽能電池的效率提升

【引言】

自?Miyasaka 首次報道以來，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）已取得了巨大進展。截至目前，單結PSCs已獲得26.1%的創紀錄的PCE認證。然而，疊層鈣鈦礦太陽能電池被認為是可以進一步突破鈣鈦礦電池效率的器件結構之一。一般而言，疊層PSCs通常是由具有窄帶隙的光活性層和寬帶隙的光活性層組成。目前很多工作已經被報道以提高窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池的效率，然而，寬帶隙PSC（WBG-PSC）由于疊層太陽能電池的重要性也應該被考慮。眾所周知，由于寬的帶隙和較差的鈣鈦礦薄膜，WBG PSC始終無法獲得高PCE 質量。 因此，迫切需要提高WBG PSC的PCE和穩定性。

【研究進展】

近日，日本國立電氣通信大學的研究人員（畢歡：ORCID: 0000-0001-7680-9816；Shuzi?Hayase 教授和沈青教授：ORCID: 0000-0001-8359-3275）聯合考納斯理工大學的研究人員 （Saulius Grigalevicius教授）在ACS Applied Materials & Interfaces上發表了一篇題目為 “Efficiency Enhancement of Wide Bandgap Lead Perovskite Solar Cells with PTAA Surface-Passivated with Monomolecular Layer from the Viewpoint of PTAA Band Bending”?的研究文章，該工作合成了一系列具有不同官能團的自組裝單分子用于修飾PTAA界面，從而在改善PTAA界面疏水性的同時，也改變了界面處的能帶彎曲，其結果不僅使得鈣鈦礦薄膜質量提高，同時有利的能帶彎曲也使得器件中的載流子傳輸更加通暢，除此之外，由于多官能團的存在，使得界面處的薄膜缺陷減少，從而減少了非輻射復合，從而將V_OC從1.127 V提升到1.177 V。并且在最優條件下，研究人員實現了16.52%的PCE。此外，SAMs改性后器件的穩定性也得到改善。該研究為合成新型SAMs用于提高鈣鈦礦太陽能電池效率和穩定性提供了指導，同時也為制備高效率疊層PSCs提供了一種選擇。

【圖文簡介】

(a) PTAA/單分子層/WBG PVK層的制備示意圖；

(b) PTAA/單分子層/WBG PVK 層之間的化學連接；

(c)不同SAMs上制備的鈣鈦礦薄膜的半峰寬統計。

(d) 采用SCLC方法評估了不同基底上鈣鈦礦薄膜的缺陷密度。

(a) (a-1)PTAA或PTAA/x-PACz的費米能級，(a-2)與WBG-PVK接觸后的費米能級變化以及(a-3)PTAA或PTAA/x-PACz 與WBG-PVK 接觸后的能帶彎曲(ΔEF,1)

(b) (b-1) 僅 WBG-PVK 的費米能級，(b-2) 與 PTAA 或 PTAA/x-PACz 接觸后的費米能級變化，以及 (b-3) WBG-PVK 與 PTAA或 PTAA/x-PACz 接觸后的能帶彎曲(ΔEF,2)。

?圓圈代表 x-PACz 單層分子。

(a) 器件（基于 I-3PACz 的 PSC、基于 9p-3PACz 的 PSC、基于 2M3P-3PACz 的 PSC 和基于 PTTA 的 PSC）的 PCE 統計分布圖。

?(b) 冠軍器件的?J-V 曲線。

?(c) 器件的IPCE曲線。

?(d) 最大功率點處的穩態電流密度隨時間的變化。

(a) 基于 PTAA 和基于 9p-3PACz 的 PSC 的理想因子評估。

?(b) 瞬態光電壓（TPV）曲線測試。

?(c) 基于 PTAA 的 PSC 和基于 9p-3PACz 的 PSC 的瞬態光電流曲線。

?(d) 基于 PTAA 的 PSC 和基于 9p-3PACz 的 PSC 的載流子擴散長度評估。

未封裝的?PSC 在 (a) N2、(b)熱?(85 °C) 和 (c) 1 個太陽光照下的長期穩定性測試。

【文獻鏈接】

Bi, H.; Liu, J.; Beresneviciute, R.; Tavgeniene, D.; Zhang, Z.; Wang, L.; Kapil, G.; Ding, C.; Sahamir, S. R.; Sanehira, Y.; et al. Efficiency Enhancement of Wide Bandgap Lead Perovskite Solar Cells with PTAA Surface-Passivated with Monomolecular Layer from the Viewpoint of PTAA Band Bending. ACS Appl. Mater. Interfaces?2023.?DOI: 10.1021/acsami.3c08655.

Web: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c08655