摘要

三維(3D)鈣鈦礦吸光材料的頂部和底部界面處的缺陷會(huì)降低鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的性能和工作穩(wěn)定性，這歸因于電荷復(fù)合、離子遷移和電場(chǎng)不均勻性。阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)的 Stefaan De Wolf 教授和蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究院(UNIST)的 Sang Il Seok 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在Nature期刊發(fā)表最新研究成果，展示了長(zhǎng)鏈烷基胺配體可以在頂部和底部3D鈣鈦礦界面處生成近相純2D鈣鈦礦，并有效解決上述問題。該研究開發(fā)的雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)倒置PSCs實(shí)現(xiàn)了25.6%的功率轉(zhuǎn)換效率(認(rèn)證效率25.0%)，并在 85 °C 空氣中1個(gè)太陽照射1000小時(shí)后仍能保持95%的初始效率。值得一提的是，該課題組使用光焱科技獲得 ISO 17025 認(rèn)證的太陽光模擬器和量子效率測(cè)試系統(tǒng)，確保了器件效率測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)一步提升了研究成果的可信度。

本研究推薦使用設(shè)備
QE-R PV/太陽能電池量子效率測(cè)量系統(tǒng)

研究背景與核心概念

近年來，PSCs憑借其高效率、低成本等優(yōu)勢(shì)成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，PSCs的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍然是制約其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。3D鈣鈦礦吸光材料的頂部和底部界面處的缺陷會(huì)導(dǎo)致電荷復(fù)合、離子遷移和電場(chǎng)不均勻性，從而降低器件的效率和穩(wěn)定性。

為了解決這些問題，研究人員開發(fā)了各種界面工程策略，其中2D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。通常，2D/3D異質(zhì)結(jié)是通過將2D配體溶液后處理沉積的3D鈣鈦礦薄膜，通過陽離子交換重建3D鈣鈦礦表面形成的。然而，這種策略僅適用于3D鈣鈦礦薄膜的頂表面，而且通常會(huì)導(dǎo)致形成具有多種維度 (n = 1, 2, 3 等)和隨機(jī)晶體取向的混合2D鈣鈦礦，這可能會(huì)導(dǎo)致界面能量不均勻性，并阻礙電荷傳輸。相比之下，相純2D鈣鈦礦鈍化可以顯著降低電荷陷阱密度和離子遷移，從而顯著提高器件的性能和穩(wěn)定性。

研究方法與主要發(fā)現(xiàn)

為了構(gòu)建雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)，研究人員采用了兩種不同的策略：

1.底部2D/3D異質(zhì)結(jié):

在ITO底電極上，通過自組裝單層(SAM)分子2PACz錨定空穴收集觸點(diǎn)(p型)。

將4-羥基芐胺(HBzA)配體與 2PACz SAM 溶液混合，并涂覆在ITO底電極上。HBzA的胺頭與2PACz的膦酸基團(tuán)(-PO(OH)2)發(fā)生酸堿反應(yīng)，形成離子鍵，從而增強(qiáng)HBzA在后續(xù)處理過程中的附著力。

旋涂3D鈣鈦礦墨水，并在熱退火過程中，HBzA配體被釋放，通過與3D鈣鈦礦墨水中的甲脒(FA+)或銫(Cs+)發(fā)生陽離子交換，在底部界面形成2D鈣鈦礦。

2.頂部3D/2D異質(zhì)結(jié):

在制備好的3D鈣鈦礦薄膜上，通過真空蒸鍍沉積一層厚度可控的PbI2層。

將HBzA鹽溶液或HBzA鹽+甲脒碘化物溶液滴在鈣鈦礦/PbI2薄膜上。

熱退火形成具有可控維度和相純度的2D鈣鈦礦層。

研究人員利用一系列表征技術(shù)，包括X射線光電子能譜(XPS)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)、光致發(fā)光(PL)光譜和掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)等，對(duì)雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)的形成過程和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析。

研究結(jié)果與討論
研究結(jié)果表明，HBzA配體可以有效地錨定在ITO/2PACz表面，并在3D鈣鈦礦沉積后釋放，形成底部2D/3D異質(zhì)結(jié)。頂部3D/2D異質(zhì)結(jié)的形成則依賴于PbI2層的厚度控制和HBzA鹽溶液的滴涂。通過優(yōu)化2D配體濃度和PbI2層厚度，研究人員成功制備了近相純的2D鈣鈦礦鈍化層。

器件性能：

l 雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)PSCs實(shí)現(xiàn)了25.63%的最高功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。

l 為了確保PCE測(cè)量的準(zhǔn)確性，該研究采用了光焱科技獲得 ISO 17025 認(rèn)證的太陽光模擬器進(jìn)行測(cè)試，并獲得了25.00%的認(rèn)證效率。

l 與沒有2D/3D異質(zhì)結(jié)的控制組器件以及僅有頂部或底部2D/3D異質(zhì)結(jié)的器件相比，雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)PSCs的PCE顯著提高。

器件穩(wěn)定性：

l 封裝的雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)器件在 85 °C 空氣中1個(gè)太陽照射1000小時(shí)后仍能保持95%的初始PCE。

l 相比之下，控制組器件和僅有單面鈍化的器件在相同條件下的穩(wěn)定性較差。

性能提升原因:

l PL量子產(chǎn)率和TRPL測(cè)試結(jié)果表明，雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)有效抑制了界面處的電荷復(fù)合，并延長(zhǎng)了載流子壽命。

l 空間電荷限制電流(SCLC)和熱導(dǎo)納譜(TAS)分析表明，雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)顯著降低了鈣鈦礦薄膜中的缺陷態(tài)密度。

l 電容-電壓測(cè)量和截面開爾文探針力顯微鏡(KPFM)分析表明，雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)有效減少了界面處的電荷積累和電場(chǎng)不均勻性。

l 碘釋放和離子遷移測(cè)試結(jié)果表明，雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)有效抑制了碘的生成和遷移，提高了鈣鈦礦晶體的穩(wěn)定性。

結(jié)論與展望

該研究提出的雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)策略為制備高效穩(wěn)定的倒置PSCs提供了一種新思路。通過在3D鈣鈦礦吸光材料的頂部和底部界面處形成近相純2D鈣鈦礦鈍化層，有效解決了界面缺陷導(dǎo)致的電荷復(fù)合、離子遷移和電場(chǎng)不均勻性問題，從而顯著提高了器件的效率和穩(wěn)定性。通過采用光焱科技獲得 ISO 17025 認(rèn)證的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步保證了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

未來，可以通過進(jìn)一步優(yōu)化2D配體和界面工程，以及結(jié)合其他材料和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升PSCs的性能，推動(dòng)其在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文參數(shù)圖:

Fig S8_子圖a：展示了沒有白光偏置的雙面2D/3D異質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)設(shè)備的EQE曲線，以及估算帶隙為1.53 eV的Cs0.02MA0.75FA0.95PbI3鈣鈦礦材料的EQE曲線的一階導(dǎo)數(shù)。

子圖b：展示了估算帶隙為1.54 eV的Cs0.05FA0.95PbI3鈣鈦礦材料的EQE曲線及其一階導(dǎo)數(shù)。

兩個(gè)子圖中的EQE曲線都顯示了在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高效率平臺(tái)，這表明材料對(duì)光的吸收和轉(zhuǎn)換效率很高。文本描述指出，從J-V分析得到的Jsc值與從EQE分析積分得到的Jsc值一致，誤差小于1%。這說明了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。

原文出處:Nature volume 628, pages93–98 (2024)

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