研究成就與看點

通過引入多功能異煙堿胺（IA）衍生物，顯著提升了寬能隙（WBG）鈣鈦礦太陽能電池的性能，并成功應用于全鈣鈦礦疊層太陽能電池。

•優化了寬能隙鈣鈦礦的（100）晶體取向

•降低了鈣鈦礦薄膜中的缺陷密度

•實現了1.77 eV寬能隙鈣鈦礦太陽能電池19.34%的功率轉換效率（PCE），以及1.342 V的開路電壓（VOC）。

•成功制備了PCE高達28.53%（經認證28.27%）的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，并具有良好的操作穩定性。

這項研究的亮點在于通過簡單的分子設計策略，有效地解決了寬能隙鈣鈦礦太陽能電池長期以來面臨的效率和穩定性問題。

研究團隊

這項研究由中國蘇州大學和四川大學的研究團隊共同完成：通訊作者為四川大學材料科學與工程學院趙德威(Dewei Zhao)；蘇州大學光電科學與工程學院王長擂(Changlei Wang)、馬天舒(Tianshu Ma)、李孝峰(Xiaofeng Li)

研究背景

•寬能隙鈣鈦礦子電池的性能瓶頸：寬能隙鈣鈦礦太陽能電池（WBG PSCs）的開路電壓（VOC）較低，且存在嚴重的非輻射復合損失。 溴化物含量高的寬能隙鈣鈦礦易發生相分離、體缺陷和表面缺陷以及巨大的能帶偏移問題。

•晶體取向控制的難度：雖然有研究表明晶面會影響電池性能，并嘗試通過添加劑來控制晶粒生長，但要實現對寬能隙鈣鈦礦晶體取向的精確控制仍是一大挑戰。

•多功能添加劑的開發：研究者們嘗試使用具有電子給體特性的路易斯堿作鈍化劑，以減少鹵素空位，但開發能同時調控晶體取向和鈍化缺陷的多功能添加劑仍有待深入。

•低成本和溶液加工方法的應用：全鈣鈦礦疊層太陽能電池具有高效率的潛力以及低成本的溶液加工方法，在太陽能市場上具有很高的競爭力。由寬能隙（WBG, Eg ≈1.77 eV）鈣鈦礦頂部子電池和低能隙（LBG, Eg ≈1.25 eV）混合錫鉛(Sn-Pb)鈣鈦礦底部子電池組成。

•近年來低能隙子電池和互連層（ICLs）的進步，使得全鈣鈦礦疊層太陽能電池的效率迅速提高，達到超過30%的認證PCE。

解決方案

本研究提出了一種多功能添加劑策略，核心是利用異煙堿胺（IA）及其衍生物來調控鈣鈦礦的晶體取向和缺陷鈍化。具體而言：

•分子設計：研究團隊選擇了吡啶甲酰胺（PA）、煙堿胺（NA）和異煙堿胺（IA）三種異構體，它們具有相同的吡啶氮基（C5H4N-）、羰基（C═O）和胺基（-NH2）官能團，但這些官能團在分子中的位置不同，導致它們的空間構型、吸附方式和鈍化機制有所差異。

•晶體取向調控：通過添加IA，可以促進鈣鈦礦晶體（100）面的優先生長，這有利于電荷的垂直傳輸。

•缺陷鈍化：IA分子可以與鈣鈦礦中的缺陷位點結合，減少陷阱密度，從而提高器件的開路電壓。

實驗步驟：

利用不同的煙堿酰胺衍生物（PA, NA, IA）作為添加劑，來改善寬能隙鈣鈦礦太陽能電池 (WBG PSCs) 的效率與穩定性，并探討這些添加劑如何影響鈣鈦礦薄膜的結晶、缺陷鈍化和光電性能。

1.前驅體溶液制備：

• WBG鈣鈦礦前驅體：將 FAI, CsI, FABr, PbI2, PbBr2 溶解于 DMF/DMSO 混合溶劑中，加入 Pb(SCN)2, MASCN, KSCN，并分別加入不同比例的 PA, NA, 或 IA添加劑。

• LBG鈣鈦礦前驅體：分別制備 FASnI3 和 MAPbI3 前驅體溶液，再將兩者混合。

2.薄膜制備：

• WBG鈣鈦礦薄膜：將 WBG 前驅體溶液旋涂在基板上，先低速旋轉后高速旋轉，并在高速旋轉時滴入(C2H5)2O，最后退火。在退火后，滴入 EDAI2 溶液并旋涂，再次退火

• LBG鈣鈦礦薄膜：將 LBG 前驅體溶液旋涂在基板上，高速旋轉時滴入(C2H5)2O，再進行退火，之后滴入 EDAI2 溶液并旋涂，再次退火

3.太陽能電池組件制備：

• 單結WBG鈣鈦礦太陽能電池：在 ITO 基板上依序旋涂 4PADCB，沉積 WBG 鈣鈦礦層，再蒸鍍C60, BCP, Cu 電極層

• 單結LBG 鈣鈦礦太陽能電池：在 ITO 基板上旋涂 PEDOT：PSS，沉積 LBG 鈣鈦礦層，再蒸鍍 C60, BCP, Cu 電極層，并使用蓋玻片和環氧樹脂封裝

• 全鈣鈦礦疊層太陽能電池 (TSC)：依序在基板上沉積 4PADCB, WBG 鈣鈦礦層, C60, SnO2/IZO, PEDOT：PSS, LBG 鈣鈦礦層, C60, BCP, Cu 各層薄膜，最后封裝

表征方法

組件效能分析

電流-電壓 (J-V) 曲線測量：

研究團隊使用 Enlitech 的 SS-F5-3A 太陽光模擬器，在 100 mW/cm2 AM 1.5G 太陽光照下進行測量，J-V 曲線的測量在惰性氣氛中進行。

推薦使用Enlitech SS-X做為模擬光源，精準測量J-V曲線數據

圖4a 顯示了不同添加劑處理的 WBG PSCs 的 J-V 曲線。

圖S21 展示了控制組和不同添加劑處理的 WBG PSCs 在正向和反向掃描下的 J-V 曲線。

圖S25a：大面積 WBG PSCs 的 J-V 曲線。

圖S27：不同處理方式的 J-V 曲線。

圖S29a：單結 LBG PSCs 的 J-V 曲線。

• 外部量子效率 (EQE) 光譜測量：

研究團隊使用 Enlitech 的QE-R系統，使用 白光作為外部光源，并搭配550nm和850 nm的濾光片，分別用于底部和頂部子電池的測量。

推薦使用Enlitech的QE-R，量測外量子效率

圖4c 顯示了不同添加劑處理的 WBG PSCs 的 EQE 光譜。

圖5c 顯示了疊層太陽能電池的頂部和底部子電池的 EQE 光譜。

圖S25b 顯示了大面積 WBG PSCs 的 EQE 光譜。

圖S29b 顯示了單結 LBG PSCs 的 EQE 光譜。

其他表征方法

• 掃描電子顯微鏡 (SEM)：觀察薄膜的表面形貌和微觀結構，分析添加劑對晶粒尺寸、表面平整度的影響。（圖2a-d、S3、S4）

• X 射線衍射 (XRD)：分析薄膜的晶體結構和結晶度。（圖2e、S8、S7）

• X 射線光電子能譜 (XPS)：分析元素的化學狀態和能級，研究添加劑對 Pb2+、Br- 和 I- 的鈍化效果。（圖3h、S12）

• 時間解析光致發光 (TRPL)：評估載子的壽命，并分析非輻射復合的程度，從 TRPL 衰減曲線中可以計算出載子的平均壽命 (τave)。（圖S9、表S1）

• 飛行時間二次離子質譜 (ToF-SIMS)：分析添加劑在薄膜中的分布情況，特別是 IA分子在前后界面的富集。（圖2g）

• 紫外光電子能譜 (UPS)：測量材料的功函數和價帶最大值 (VBM)，了解添加劑如何調整能級，以及優化鈣鈦礦與電洞傳輸層 (4PADCB) 的能級對齊。（圖S15、S16）

• 動態光散射 (DLS)：分析添加劑對前驅體溶液中膠體粒子大小的影響，特別是 IA添加劑造成的粒子尺寸增大，預示著預成核相的出現。（圖S5）

• 掠入射廣角 X 射線散射 (GIWAXS)：可以分析薄膜的晶體取向。（圖2h-k、S10）

• 空間電荷限制電流 (SCLC)：分別測量電洞型與電子型組件，分析不同添加劑如何影響陷阱密度。（圖3i、S13、表S2）

• 電化學阻抗譜 (EIS)：分析組件的接口電阻，以了解添加劑如何影響電荷復合。從奈奎斯特圖中可以分析出疊層電阻 (Rs) 和復合電阻 (Rrec)。（圖4f）

• 光致發光掃描 (PL mapping)：檢測薄膜的均勻性和缺陷分布。（圖3a-d、圖S26）

• 溫度依賴型光致發光 (Temperature-dependent PL)：測量不同溫度下的 PL 光譜，分析載子復合機制。（圖3e-f、3g）

• Urbach 能量：分析薄膜的缺陷密度和電子無序度。（圖S14）

結論

本研究成功地將多功能煙堿酰胺衍生物應用于寬能隙鈣鈦礦太陽能電池（WBG PSCs），并深入探討了這些添加劑如何影響鈣鈦礦薄膜的結晶、缺陷鈍化和光電性能。研究重點在于利用異煙堿酰胺（IA），相較于吡啶甲酰胺（PA）煙堿酰胺（NA），IA因其平面空間構型，在改善晶體取向和鈍化缺陷方面表現出效能。

關鍵發現：

• 晶體取向調控：IA通過其空間結構，促進了鈣鈦礦薄膜中 (100) 晶面的優先取向。這種取向的改善，有助于提高電荷傳輸效率，并減少晶體缺陷。

• 缺陷鈍化：IA分子中的吡啶氮基（C5H4N-）、羰基（C═O）和胺基（-NH2）能夠與 Pb2+ 離子配位，有效地鈍化了未配位的 Pb2+ 和 I- 空位346。此外，-NH2 基團參與親電子反應， FA+ 和 Pb2+ 空位，進一步減少了缺陷密度。IA的處理增加了碘空位缺陷的形成能。

• 薄膜質量提升：添加 IA的薄膜表面具有更大的晶粒尺寸和更平坦的表面，從而降低了薄膜的粗糙度。動態光散射分析顯示，IA前驅體導致膠體粒子尺寸增加，加速了鈣鈦礦的成核動力學，提高了薄膜質量。

• 光電性能優化：經 IA改性的 WBG PSC 顯示出更高的光致發光（PL）強度和更長的載子壽命，這表明薄膜質量得到改善，非輻射復合受到抑制。溫度依賴型PL測量顯示，IA樣品的激子結合能較小，這有助于減少載子復合并增強載子分離。XPS 分析表明IA有利于吡啶甲酰胺試劑與未配位的 Pb2+ 之間的鍵合。SCLC 測量顯示，IA有效抑制了電子和電洞陷阱，進而提升了組件效能。

• 太陽能電池效能提升：IA改性的 WBG PSC 實現了19.34%的功率轉換效率（PCE）和 1.342 V 的開路電壓（VOC），是目前報導中 WBG PSC 的最高 VOC 值之一。此外，IA改性的電池在持續光照下保持了良好的穩定性。

• 疊層電池效能：采用 IA優化的 WBG PSC 作為頂部子電池，成功制備了全鈣鈦礦疊層太陽能電池（TSCs），其 PCE 達到 28.53%（經認證為 28.27%），并在連續光照 600 小時后仍保持了初始效率的 90% 以上。

文獻參考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202412943

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