22.09% PCE 倒置鈣鈦礦! 羥基化NFA如何發(fā)揮作用?

更新時間：2021-12-22 點擊次數(shù)：2894

科研專欄 / ENLITECH

作者：中國科學院大連化學物理研究所李燦團隊

DOI: 10.1039/d1ee02248b

Energy & Environmental Science (IF 38.532) 在近期發(fā)表一項研究，探討可用于倒置鈣鈦礦太陽能電池的羥基化非富勒烯受體，并達成 22.09% 高效率。在過去十年中，有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 引發(fā)了廣泛的研究，功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 也接連提高。與傳統(tǒng) n-i-p 結(jié)構(gòu)的 PSC 相比，倒置 p-i-n 結(jié)構(gòu)的 PSC (i-PSC) 表現(xiàn)出可忽略不計的遲滯現(xiàn)象和可用于構(gòu)建串聯(lián)太陽能電池的潛力。但是，由于缺陷態(tài)的非輻射復合和電子傳輸層的能量不匹配，i-PSC 的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 仍然落后于傳統(tǒng)電池。

在此研究中，為同時減少缺陷和改善電子傳輸，研究團隊使用羥基化非富勒烯受體 NFA (稱為 IT-DOH) 來修飾鈣鈦礦和電子傳輸層 (ETL) 間的界面。IT-DOH 分子主要分布在晶粒邊界處，并以三種方式起作用：

第一，與參考分子 ITIC 相比，除了 -CN 和 -C=O 基團外，額外的 -OH 還可以與 Pb2+ 進一步鈍化鈣鈦礦薄膜的缺陷，并更有效地抑制非輻射復合。

第二，ITDOH 的 LUMO 能級形成級聯(lián)能級排列，并促進電子提取。

第三，由于分子間氫鍵相互作用引起的共軛面拉長，IT-DOH 分子呈現(xiàn)出長程有序的分子排列和正面取向，有利于電子從鈣鈦礦傳輸?shù)?ETL。

通過光焱科技太陽光模擬器進行電流密度-電壓 (J?V) 量測、正向掃描和反向掃描，并以光焱科技 QE-R 量子效率測量系統(tǒng)進行外部量子效率 (EQE) 檢測。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng) IT-DOH 處理的 i-PSC 在實現(xiàn)了 22.09% 的 PCE，是目前已發(fā)表有關(guān) NFA i-PSC 論文中的最高值。此研究也證實 NFA 分子的羥基化對于減少缺陷和改善電子提取/傳輸非常重要。

光焱科技量子效率測量系統(tǒng)除了用于太陽能電池的 EQE (External Quantum Efficiency) 光譜分析，同時對于太陽能電池在太陽光模擬器下的短路電流，也提供了Jsc (short-circuit current density) 的比對，以證明實驗的準確性。此外，光焱科技的SS系列太陽光模擬器與 KA-6000 軟件，也同時提供了短路電流對時間變化的監(jiān)控，以證明太陽能電池的穩(wěn)定性。

圖表解析