摘要

鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因其高效率、低成本和可印刷性等優點，成為最有希望取代傳統硅基太陽能電池的下一代光伏技術。近年來，鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的效率不斷攀升，已突破25%的瓶頸，但其長期穩定性問題仍然是阻礙其商業化應用的關鍵因素。

為了解決這一挑戰，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的 Ziyi Ge 和 Daobin Yang 研究團隊設計合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑(IDCz)衍生自組裝單層(SAMs)：IDCz-1、IDCz-2和IDCz-3，并將其用于制備倒置鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)。通過調節IDCz單位的兩個氮原子位置，有效地提高了分子偶極矩，并增強了π-π相互作用。研究人員發現，使用IDCz-3作為空穴收集層的倒置 鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)表現出最佳的性能，其PCE達到了25.15%，創下了多足SAMs基PSCs的新紀錄，并且未封裝的IDCz-3器件可以保存至少1800小時，性能幾乎沒有下降，展現出優異的長期穩定性。

本研究使用設備
QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統

研究背景與核心概念

倒置鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)由于其結構簡單、制備工藝易于控制等優點，成為目前鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  研究領域的熱點。在倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  中，空穴傳輸層(HTL)與鈣鈦礦薄膜的界面起著至關重要的作用，它決定了器件的效率和穩定性。自組裝單層(SAMs)作為一種有效的界面修飾材料，近年來在鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  領域得到廣泛應用，它可以有效地鈍化界面缺陷，降低電荷復合，并改善載流子傳輸性能。

然而，現有的SAMs通常面臨著一些挑戰，例如無法有效改善埋藏界面缺陷、穩定性不足等問題。為了進一步提升鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  的效率和穩定性，需要開發新型的SAMs材料，并深入研究其作用機制。

研究方法與主要發現

該研究團隊設計合成了三種雙膦酸錨定吲哚咔唑(IDCz)衍生SAMs：IDCz-1、IDCz-2和IDCz-3。這三種分子通過調節IDCz單位的兩個氮原子位置，有效地提高了分子偶極矩，并增強了π-π相互作用。

研究人員發現，通過控制分子偶極矩和能級，可以改變FTO電極的功函數(WF)，從而調節鈣鈦礦的能帶彎曲，促進空穴提取和阻擋電子。其中，使用IDCz-3作為空穴收集層的倒置PSCs表現出最佳的性能。

研究結果與討論
研究人員通過一系列表征手段，包括UV-Vis、XPS、KPFM、SCLC等，對IDCz-3的性能進行了分析。結果表明：

提高鈣鈦礦薄膜質量：IDCz-3可以有效地提高鈣鈦礦薄膜的質量，降低其表面粗糙度，從而減少缺陷。

降低缺陷密度：IDCz-3可以有效地鈍化鈣鈦礦薄膜中的缺陷，包括晶界處和表面處的缺陷，從而降低缺陷密度。

促進電荷傳輸：IDCz-3可以有效地降低鈣鈦礦/HTL界面的能壘，促進空穴提取，提高器件的短路電流密度(Jsc)和填充因子(FF)。

抑制非輻射復合：IDCz-3可以有效地抑制非輻射復合，提高器件的開路電壓(Voc)和效率。

基于IDCz-3的倒置PSCs的PCE達到25.15%，創下了多足SAMs基PSCs的新紀錄。此外，未封裝的IDCz-3器件可以保存至少1800小時，性能幾乎沒有下降，展現出優異的長期穩定性。

結論與展望

該研究開發的具有更大偶極矩的雙膦酸錨定自組裝分子，有效提升了鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  的效率和穩定性，為鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  的產業化應用提供了新的方向。

未來，可以通過進一步優化SAMs的結構和性質，例如：

合成具有更強偶極矩的分子。

優化SAMs的分子排列方式，以提高其鈍化效果。

將SAMs與其他界面工程策略結合，進一步提升PSCs的性能。

相信隨著研究的深入，鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs)  的性能將會進一步提升，并最終實現產業化應用，為全球能源轉型貢獻力量。。

本文參數圖:

Fig S19_J-V曲線圖，分別代表基于IDCz-1、IDCz-2和IDCz-3的PSCs。都顯示了正向（Forward）和反向（Reverse）掃描的電流密度（單位為安培每平方厘米）隨電壓（單位為伏特）變化的曲線。
           · IDCz-1：正向和反向掃描曲線非常接近，表明器件性能穩定。

· IDCz-2：同樣顯示出正向和反向掃描曲線重合，穩定性好。

· IDCz-3：曲線與前兩者相似，也顯示出良好的重合性。

· 所有曲線在接近1.2V時電流密度迅速下降，這可能是由于達到了器件的最大功率點。曲線的形狀和穩定性對于評估太陽能電池的性能非常重要。

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原文出處: Advanced Materials

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