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- 材料成分: 一般的钙钛矿电池主要使用含有铅的材料（如铅基钙钛矿）， 而锡基钙钛矿太阳能电池使用锡作为主要成分。 锡基钙钛矿材料更环保， 因为避免了铅元素带来的环境污染和健康风险。
- 稳定性和寿命: 锡基钙钛矿电池在稳定性方面相对较弱， 主要是因为锡元素比铅元素更容易氧化， 导致电池的寿命相对较短。 尽管如此， 研究人员正在探索使用各种添加剂和稳定技术来改善其稳定性， 例如引入有机分子来钝化缺陷或者改善器件封装。
- 功率转换效率（PCE）: 目前， 锡基钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE） 相对较低， 约为 12.26%。 [5] 而一般的铅基钙钛矿电池已经达到了 20% 以上的效率。
- 环境影响: 由于锡基钙钛矿不含有毒的铅， 对环境更友好， 尤其是在制造和废弃处理方面。 锡基钙钛矿的应用前景更符合可持续发展的要求。
“自组装单层膜” 为锡基钙钛矿电池 保驾护航
近期， 国立阳明交通大学应用化学系 刁维光 教授团队 在 Angewandte Chemie International Edition 杂志上发表了一项重要的研究成果。 他们提出了一种新颖的策略， 使用三种功能化的噻吩吡嗪（TP） 分子（TP-MN、 TP-CA 和 TPT-MN） 作为自组装单层膜 (SAMs)， 将其沉积在 NiOx 薄膜上， 从而有效地提高了锡基钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。
刁维光 教授 现任国立阳明交通大学应用化学系教授， 他的研究团队主要专注于有机光电材料和器件的研究， 尤其在钙钛矿太阳能电池和发光二极管方面， 取得了杰出的成果。
“自组装单层膜” 是如何帮助提升锡基钙钛矿太阳能电池的性能的呢？
- 精准调控界面: 这三种功能化的 TP 分子 (TP-MN、 TP-CA 和 TPT-MN) 通过 “自组装单层膜” 的方式， 沉积在 NiOx 薄膜的表面， 形成了均匀且稳定的薄膜层。 该团队通过分析 TP-MN 的单晶结构， 证实了其能够在 ITO/NiOx 基底上形成稳定的单分子层。
- 改善接触: 这三种 TP 分子在结构中包含了 CN/CN 或者 CN/COOH 基团， 能够与 NiOx 薄膜形成牢固的化学键， 并同时改善钙钛矿材料与 NiOx 空穴传输层之间的界面接触， 从而抑制载流子的非辐射复合， 提升电池效率。
此外， 化噻吩吡嗪分子还具有以下优异特性:
- 热稳定性和光电稳定性: “自组装单层膜” 能够增强 NiOx 薄膜的热稳定性和光电稳定性。
- 抗氧化: 噻吩吡嗪分子能够抑制 NiOx 的氧化反应， 增强其稳定性。
- 调整能级: 功能化的 TP 分子能有效地调控能级排列， 促进载流子的传输， 最终提高电池的开路电压和填充因子。
- 防止潮湿: 这些 TP 分子 的疏水性可以防止水分渗透到器件内部， 增强器件的环境稳定性。
效率与稳定性显着提升， 展现未来潜力
这项研究的成功展现了 “自组装单层膜” 技术在提高锡基钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性方面的巨大潜力， 为高效稳定锡基钙钛矿太阳能电池的研究指明了新的方向。 在未来， 研究人员可以通过进一步探索新型功能化材料， 优化薄膜制备工艺， 最终克服锡基钙钛矿太阳能电池效率和稳定性方面的挑战， 使其能够更广泛地应用于现实生活中， 为解决全球能源危机做出更大的贡献。
该研究团队通过巧妙地利用功能化噻吩吡嗪分子形成 “自组装单层膜”， 有效改善了锡基钙钛矿太阳能电池的性能， 并为未来发展高性能、 稳定、 无铅的钙钛矿太阳能电池技术提供了宝贵的思路。
参考文献
Functionalized Thienopyrazines on NiOx Film as Self-Assembled Monolayer for Efficient Tin-Perovskite Solar Cells Using a Two-Step Method _Angewandte. 08 July 2024_ DOI: 10.1002/anie.202407228
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