【研究背景】
鈣鈦礦太陽能電池作為新興的光伏轉換技術,具有巨大的發展潛力。但是其穩定性仍然存在挑戰。相比常規的n-i-p結構太陽電池,p-i-n幾何結構簡化了制作工藝,更適合安排電荷傳輸層,也降低了工藝溫度。自組裝單層可以增強p-i-n結構電池的轉化效率,但超薄的自組裝單層在高溫下可能不穩定。目前研究主要聚焦在提升鈣鈦礦材料本身的穩定性,對自組裝單層在高溫條件下的降解效應關注還比較少。
【關鍵問題】
與常規的聚合物和金屬氧化物空穴傳輸物質比,基于自組裝單層的鈣鈦礦太陽能電池熱穩定性較差,主要存在以下幾個問題:
自組裝單層分子與底物之間的化學鍵合關系到其熱穩定性。高溫可能使錨定基團與間隔基團中的化學鍵發生斷裂,導致自組裝單層降解;
鈣鈦礦電池中使用的超薄自組裝單層更易在高溫條件下發生熱解吸,使其有益的性質損失,如高空穴選擇性、低界面態密度等;
熱應力影響自組裝單層的形態,使其性能下降。這會破壞單層分子在基底表面的均勻性與覆蓋密度,進而影響電荷提取與整體穩定性;
自組裝單層與鈣鈦礦吸收層之間的界面連接關系到器件的整體熱穩定性。界面不牢固將導致高溫性能衰減。
新思路
近日，香港城市大學朱宗龍和華中科技大學李忠安研究團隊通過使用熱穩定的孔選擇性層（HSL）來改善p-i-n鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的穩定性和性能。該HSL由鎳氧化物（NiOx）納米顆粒膜和表面錨定的（4-（3,11-二甲氧基-7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基）丁基）膦酸（MeO-4PADBC）自組裝單分子層（SAM）組成。SAM已被證明可以提高PSCs的性能，但其熱穩定性仍然是一個問題。作者旨在提高在高溫下穩定的SAM基PSCs，并研究SAM形成分子的降解效應。
技術路線：
本研究首先比較了在p-i-n鈣鈦礦太陽能電池中,使用MeO-4PADBC自組裝單分子層(SAM)和NiOx/MeO-4PADBC作為孔選擇性層(HSLs)的效果。研究結果顯示,與僅使用MeO-4PADBC相比,NiOx/MeO-4PADBC具有更好的孔洞提取效果。我們使用傅里葉變換紅外光譜儀對MeO-4PADBC和NiOx/MeO-4PADBC的化學鍵進行了測試,結果證實了兩者之間存在化學鍵的形成。我們還使用紫外光電子能譜儀測試了不同材料與鈣鈦礦吸收劑之間的能級匹配情況。測試結果顯示,與ITO/MeO-4PADBC相比,NiOx/MeO-4PADBC與不同鈣鈦礦吸收劑之間具有更好的能級匹配。時間分辨光致發光衰減曲線表明,ITO/NiOx/MeO-4PADBC基板有助于提高孔洞提取效率。綜合來看,NiOx/MeO-4PADBC層改善了孔洞提取效率和能級匹配,從而提高了鈣鈦礦的結晶性。
技術優勢：
在制造工藝上,與普通的正置電池相比,倒置結構更易于在大規模生產中實現。本研究使用了穩定的鎳氧化物改性膦酸自組裝單層作為孔選擇層,不僅提高了電池效率,也使得電池更加穩定可靠。
在熱穩定性方面,傳統的自組裝單層容易在高溫下發生退化。本研究的膦酸自組裝單層錨定在鎳氧化物納米顆粒上,優化了界面偶極矩,實現了快速的孔提取,界面缺陷密度大大降低。因此,即使在高溫長時間工作條件下,電池效率依然可以很好地保持。
在轉換效率方面,本研究的穩定孔選擇層可以顯著提高倒置結構鈣鈦礦電池的功率轉換效率,在1.53V工作電壓下,實現了高達25.6%的轉換效率。
在長期運行穩定性方面,本研究的電池在90°C條件下連續工作1200小時后,效率保持在65%以上,展現出優異的穩定性和耐久性。
研究內容
本研究設計了一種螺旋形的二苯并[c,g]咔唑(DBC)為核心基元的自組裝單層(SAM)分子MeO-4PADBC,該設計在多個方面優化了鈣鈦礦太陽能電池的性能。
首先,DBC基元的加入減輕了MeO取代基對SAM分子偶極矩的負面影響。之前研究發現,咔唑核心接受MeO取代后會導致偶極矩下降,從而使SAM分子的HOMO與鈣鈦礦的價帶最大值存在較大的偏移。本研究新合成的MeO-4PADBC中,DBC基元的加入改善了這一問題,與非MeO取代的4PADBC相比,MeO-4PADBC的偶極矩僅略有下降。
其次,DBC基元的非共面螺旋形結構破壞了SAM分子的平面和對稱性,有利于與鈣鈦礦的接觸。這導致了更好的能級匹配,更快的孔提取速率,和界面處缺陷密度的降低。
與MeO-4PACz相比,MeO-2PADBC與鈣鈦礦的界面結合能更高。測量結果顯示,MeO-4PADBC的總結合能為-7.19 eV,而MeO-2PACz為-5.27 eV。這說明MeO-4PADBC能與鈣鈦礦形成更強的相互作用。
本研究采用Enlitech公司的產品進行測試。
空穴選擇性層應用
開爾文探針力顯微鏡(KPFM)、結合能計算和加速熱老化實驗共同證明了MeO-4PADBC自組裝單層與NiOx基底之間形成了化學鍵。
KPFM圖像顯示MeO-4PADBC分子高密度地吸附在ITO和NiOx表面,說明它與這兩個基底材料都存在結合。計算結果表明,MeO-4PADBC與NiOx的結合能(-22.4 eV)高于與ITO的結合能(-16.7 eV),因此與NiOx的化學結合更牢固。加速熱老化實驗中,NiOx/MeO-4PADBC基底的表面電位穩定,而ITO/MeO-4PADBC基底的表面電位波動,進一步驗證了NiOx/MeO-4PADBC鍵合的穩定性。
另外,在2PACz的咔唑環上引入OMe基團,會導致自組裝單層的偶極矩減小。這是因為高度共面化的咔唑環結構加劇了OMe基團對偶極矩的負面影響。偶極矩減小改變了自組裝單層與鈣鈦礦之間的相互作用,導致系統能級結構發生變化,從而使功函數上移。
綜上所述,多種實驗手段共同證實了MeO-4PADBC與NiOx之間存在穩定的化學鍵結合。引入OMe基團會減小自組裝單層的偶極矩,改變其與鈣鈦礦的相互作用。
太陽能電池性能和表征
采用NiOx/MeO-4PADBC作為孔選擇層的鈣鈦礦太陽能電池顯示出優異的光伏性能。在0.0414 cm2的有效面積下,電池效率達到高達25.6%。這一策略對不同帶隙的鈣鈦礦吸收體都奏效。帶隙分別為1.53 eV、1.68 eV 和 1.80 eV的電池,其效率分別達到25.6%、22.7% 和 20.1%。穩態功率輸出結果進一步驗證了這些器件的高效可靠性。
NiOx/MeO-4PADBC界面處的缺陷密度較低,有助于提升光伏性能。準費米能級分裂和開路電壓值的一致性表明,空穴選擇層使整個器件在空間上能級連續,提取效率高。1.53 eV的器件開路電壓達到理論值的95%,說明NiOx/MeO-4PADBC層有效減少了界面電壓損失,實現了載流子的高效提取。
綜上所述,NiOx/MeO-4PADBC作為孔選擇層,使不同帶隙的鈣鈦礦太陽能電池都實現了較高的光電轉換效率。接口質量的優化是其工作機制的關鍵。
圖2 不同HSL的PSC的光伏性能
PSC穩定性研究
研究人員采用開爾文探針力顯微鏡測試了自組裝單層MeO-4PADBC在加熱條件下與ITO和NiOx基底的相互作用。接觸電位分布的變化表明,NiOx/MeO-4PADBC的界面結合力優于ITO/MeO-4PADBC。
密度泛函理論計算發現,在室溫下MeO-4PADBC與NiOx的結合能為-22.4eV,高于與ITO的結合能(-16.7eV)。當溫度升高到340K時,MeO-4PADBC與ITO的結合能大幅減小至-11.6eV,但與NiOx的結合能變化較小(-20.3eV),保持了較高的穩定性。
加速熱老化實驗中,基于NiOx/MeO-4PADBC的電池在65°C下運行1200小時后,效率保持在90%。而基于MeO-4PADBC的電池效率只保持了65%。
NiOx/MeO-4PADBC電池的激活能約為0.389eV,比MeO-4PADBC電池的0.150eV高近一倍,表明NiOx/MeO-4PADBC的熱穩定性更優。
圖3 PSCs降解機制分析
圖4不同溫度下PSC的長期穩定性評估。
總結展望
綜上所述,香港城市大學朱宗龍團隊和華中科技大學李忠安團隊設計并證明了一種高效穩定的孔選擇層材料MeO-4PADBC。該材料的熱穩定性得到大幅提高,非常適合用于倒置結構鈣鈦礦太陽能電池。MeO-4PADBC的分子結構經過優化,使其具有適中的偶極矩和與鈣鈦礦的良好接觸,從而實現了理想的能級匹配和快速的孔提取,增強了器件的效率和穩定性。此外,MeO-4PADBC錨定在NiOx上的設計增強了化學鍵結合,有效減少了界面電壓損失,提高了熱穩定性。本研究為設計高效穩定孔選擇層材料提供了理論指導,并為鈣鈦礦太陽能電池的實際應用鋪平了道路。
