█ 重點(diǎn)摘要

最近,陜西師范大學(xué)向萬春團(tuán)隊(duì)利用光焱科技公司的測試設(shè)備,開發(fā)出以甘藍(lán)胺（GDA）埋入SnO2/鈣鈦礦界面上分子橋優(yōu)化鈣鈦礦太陽電池。該研究結(jié)合先進(jìn)的測試設(shè)備與材料開發(fā)策略,實(shí)現(xiàn)了電池轉(zhuǎn)換效率從22.6%提升到24.7%,并顯著改善了穩(wěn)定性。

1. 使用分子改性劑甘藍(lán)胺（GDA）在SnO2/鈣鈦礦的埋底界面上構(gòu)建分子橋，從而產(chǎn)生優(yōu)異的界面接觸。

2. 通過GDA和SnO2之間的強(qiáng)烈相互作用實(shí)現(xiàn)的，明顯調(diào)節(jié)能級。此外，GDA可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶體的生長，產(chǎn)生晶粒尺寸增大且無針孔的鈣鈦礦薄膜，缺陷密度顯著降低。

3. 經(jīng)過 GDA 修改的鈣鈦礦太陽電池表現(xiàn)出開路電壓（接近1.2V）和填充因子的顯著改善，從而使功率轉(zhuǎn)換效率從 22.6% 提高到 24.7%。此外，GDA 器件在最大功率點(diǎn)和 85°C 熱量下的穩(wěn)定性均優(yōu)于對照器件。

█ 研究背景

鈣鈦礦太陽能電池因具理論上可達(dá)25%的高轉(zhuǎn)換效率,受到廣泛關(guān)注，但鈣鈦礦材料易受溫濕度影響降解,SnO2與鈣鈦礦界面難以實(shí)現(xiàn)有效電荷傳輸,使實(shí)際效率較預(yù)期低,制約了商業(yè)化進(jìn)程。如何提升鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。充分發(fā)揮精密量測設(shè)備的優(yōu)勢,開發(fā)高性能鈣鈦礦材料與界面工程技術(shù),實(shí)現(xiàn)電池效率和穩(wěn)定性的同步提升,是目前的研究方向。

█ 研究成果

陜西師范大學(xué)向萬春團(tuán)隊(duì)設(shè)計開發(fā)出甘藍(lán)胺(GDA)分子材料,優(yōu)化SnO2與鈣鈦礦界面。X射線衍射分析表明,GDA調(diào)控鈣鈦礦晶粒生長,生成高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜,增加晶粒尺寸,降低缺陷密度。此外，GDA 可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦的生長以形成高質(zhì)量的薄膜，從而減少缺陷和相關(guān)的非輻射電荷復(fù)合。因此，經(jīng)過GDA修飾的 PSC 表現(xiàn)出接近1.2 V的令人印象深刻的VOC和 24.70%的效率，高于對照器件的22.60%和離子類似物醋酸胍(GAAc)修飾的PSC的24.22%，同時遲滯現(xiàn)象減少最后，與對照和GAAc修改的器件相比，GDA 修改也大大提高了最大功率點(diǎn) (MPP)跟蹤和85 °C熱量下的器件穩(wěn)定性。該研究成果發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》

█ 研究方法

采用設(shè)備

本研究采用光焱科技AM1.5G太陽光模擬器(AAA class solar simulator)以及Si標(biāo)準(zhǔn)參考電池SRC2020(NREL-certified silicon cell )，量子效率量測設(shè)備 QE-R。

█ 結(jié)果與討論

要點(diǎn)1：分子與SnO2和鈣鈦礦的橋接作用

研究團(tuán)隊(duì)選擇GDA作為鈣鈦礦界面改性劑的原因有兩方面：其一，GDA具有高熱穩(wěn)定性和良好的溶解性，在界面形成和沉積過程中能夠提供穩(wěn)定的支撐。其二，GDA分子含有羧基和GA基團(tuán)，可以與SnO2和鈣鈦礦形成強(qiáng)的配位作用，從而在兩者之間建立橋梁，改善界面接觸，有助于提高載流子傳輸效率和減少電荷復(fù)合。

研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論計算證明了GDA與SnO2之間的化學(xué)相互作用，主要源于GDA中的羧基與SnO2表面的欠配位Sn4+結(jié)合。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測量也支持了這一觀點(diǎn)，顯示出GDA分子與SnO2層之間的相互作用。

要點(diǎn)2：GDA對SnO2層的改性

研究團(tuán)隊(duì)使用頂視掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）表征了GDA對SnO2層形貌和粗糙度的影響。GDA修飾導(dǎo)致SnO2表面的納米粒子層變得更加均勻和連續(xù)，粗糙度減小，有利于鈣鈦礦薄膜的均勻成核和結(jié)晶，從而提高界面電荷轉(zhuǎn)移效率。

通過紫外光電子能譜（UPS）測量，研究團(tuán)隊(duì)觀察到經(jīng)過GDA修飾的SnO2能級發(fā)生改變，費(fèi)米能級上升，有利于界面電荷傳輸。這些結(jié)果進(jìn)一步表明，GDA修飾影響了SnO2的能級結(jié)構(gòu)，從而改善了PSC界面性能。

要點(diǎn)3：下界面改性對鈣鈦礦層的影響

研究團(tuán)隊(duì)研究了經(jīng)過GDA改性和未經(jīng)GDA改性的SnO2層上鈣鈦礦層的性能。通過SEM和XRD表征，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)GDA修飾有助于形成更平坦和致密的鈣鈦礦薄膜，提高了結(jié)晶度。這對于減少電荷缺陷和提高電荷傳輸效率非常重要。

要點(diǎn)4：下界面改性對鈣鈦礦薄膜結(jié)晶的影響

通過原位XRD測量，研究團(tuán)隊(duì)研究了GDA修飾對鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程的影響。結(jié)果顯示，GDA改性影響了中間相的形成，導(dǎo)致晶格膨脹。此外，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)GDA修飾還影響了鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸和結(jié)晶動力學(xué)，進(jìn)一步改善了薄膜質(zhì)量。

要點(diǎn)5：器件性能與穩(wěn)定性

研究團(tuán)隊(duì)制備了經(jīng)過GDA修飾和未經(jīng)GDA修飾的PSC，并評估了它們的性能和穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，經(jīng)過GDA修飾的器件在光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)出優(yōu)勢。GDA改性有助于抑制非輻射電荷復(fù)合，提高載流子提取效率，并減少界面陷阱密度。這導(dǎo)致了更高的PCE和更好的穩(wěn)定性。

█ 結(jié)論

該研究運(yùn)用精密的光伏測試設(shè)備,開發(fā)出甘藍(lán)胺分子材料修飾SnO2/鈣鈦礦界面,顯著提升了鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性。研究證明先進(jìn)測試設(shè)備的應(yīng)用為材料開發(fā)提供了有力支撐,也為實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽電池的低成本批量生產(chǎn)提出了新的設(shè)計思路。期待不同領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研單位通力合作,加快高效鈣鈦礦太陽電池的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。