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《Advanced Materials》北京化工大学谭占鳌教授团队-使用瓦林霉素(VM)管理界面带电缺陷,实现24.06%的高效率钙钛矿太阳能电池,提升效率和稳定性。

顶尖团队的选择

重点摘要

  1. 研究人员在钙钛矿太阳能电池的钙钛矿与电子传输层界面插入了大环分子瓦林霉素(VM)作为缓冲层,以消除界面上的带电缺陷。
  2. 通过理论计算和实验分析证明,VM分子中的羰基、氨基和醚键可以固定正负电荷缺陷,并调节界面能级匹配。
  3. 最终制作的倒装构型钙钛矿太阳能电池功率转换效率达到24.06%,并具有良好的长期稳定性。

(本研究采用光焱科技的设备:太阳光模拟器、太阳能电子效率量测系统。)

研究背景

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿光吸收层与电子传输层之间不可避免会存在正负电荷缺陷,这会导致严重的界面重组合和不利的能级匹配,限制了电池效率。插入缓冲层是消除界面缺陷的有效方法之一。本研究采用了具有羰基、氨基和醚键多个活性位点的大环分子瓦林霉素(VM)作为钙钛矿与电子传输层的缓冲层。

研究成果

通过一系列理论计算和实验分析证明,VM分子中的羰基(-C=O)和醚键(-O-)可以固定界面上的游离Pb2+正电荷缺陷;氨基(-NH)与碘原子形成的氢键可以补偿负电荷缺陷。此外,VM层还使钙钛矿与电子传输层界面形成有利的顺向能级倾斜,促进了电荷的有效分离。最终,采用VM缓冲层的倒装构型钙钛矿太阳能电池实现了24.06%的高效率,并展现出优异的长期大气和热稳定性。

研究方法

  1. 通过密度泛函理论计算了VM分子与缺陷模型的结合力学和电子结构。结果显示VM分子可以通过羰基、氨基等活性基团有效地固定正负电荷缺陷。
  2. 利用X射线光电子能谱、热重分析等手段研究了VM分子修饰后的钙钛矿薄膜化学组成和热稳定性。证实VM层可以明显减少缺陷态密度。
  3. 测量了VM缓冲层钙钛矿太阳能电池的穿隧效应紫外光谱,发现VM层调节了钙钛矿与电子传输层之间的能级匹配关系。
  4. 制备了采用VM缓冲层的倒装构型钙钛矿太阳能电池,测试了其光电转换效率、耐热性和长期稳定性。证实VM缓冲层可以有效提高电池性能。

结论

本研究通过在钙钛矿/电子传输层界面引入具有多个活性基团的VM分子缓冲层,同时管理了界面正负电荷缺陷并调节了能级匹配,大幅提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。这为设计高性能钙钛矿太阳能电池提供了新的策略。

图S8. 计算(a)无VM修饰和(b)有VM修饰的钙钛矿薄膜的Eu。

图S9. (a)无VM修饰和有VM修饰的器件电子迁移率和(b)洞迁移率。

图S10. JSC与光强度曲线图。

图S18. 不同VM浓度和无VM修饰的器件J-V曲线图。

图S20. (a)无VM修饰和(b)有VM修饰的钙钛矿薄膜在大气环境(25 ± 5% RH)老化200小时前后的XRD图样。(c) PbI2峰与钙钛矿(100)峰的衍射强度变化比。

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