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内容

Adv. Energy. Mater._ 台湾国立中央大学吴春桂教授团队与港城大冯宪平教授合作突破性双层空穴传输材料展现高效稳定锡基钙钛矿太阳能电池模块

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摘要

近年来,锡基钙钛矿太阳能电池 (TPSMs) 因其环保性和成本优势而备受关注,但其效率和稳定性仍然落后于铅基钙钛矿器件。为了解决这一挑战,台湾中央大学的 Chun-Guey Wu 教授团队在 Advanced Energy Materials 期刊上发表了最新研究成果,开发了一种独特的双层空穴传输层 (HTL) 结构,有效提升了 TPSMs 的效率和稳定性。该研究团队将 SnO 和亲水性聚合物 PDTON 巧妙结合,形成 SnO/PDTON 双层 HTL,显著提高了 TPSMs 的性能,并为实现大面积可印刷锡基钙钛矿太阳能电池模块的产业化应用开辟了新的道路。

研究背景与核心概念

近年来,钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 因其高效率、低成本和可印刷性等优势,成为最有希望取代传统硅基太阳能电池的下一代光伏技术。然而,铅基钙钛矿材料的毒性问题一直是其产业化应用的重大阻碍。 

锡基钙钛矿材料由于其环境友好性,成为铅基钙钛矿的理想替代品。然而,锡基钙钛矿材料的稳定性和效率仍需进一步提升,特别是对于大面积模块的制备。

研究方法与主要发现 _SnO/PDTON 双层 HTL 的设计

为了解决锡基钙钛矿器件的效率和稳定性问题,研究人员一直致力于开发新型 HTL 材料。该研究团队将 SnO 和亲水性聚合物 PDTON 巧妙结合,形成 SnO/PDTON 双层 HTL 结构。 

SnO: SnO 是一种廉价易得的氧化物材料,具有高空穴迁移率、良好的透明度,且其能级可以调节,能够有效地提取空穴并抑制非辐射复合。 

PDTON: PDTON 是一种具有胺基和醚基的亲水性聚合物,它不仅能够作为共空穴传输层,还具有交联剂、钝化剂和界面改性剂的特性。 

SnO/PDTON 双层 HTL 具有以下优势: 

  • 良好的表面形貌: SnO/PDTON 双层 HTL 表面平整,具有良好的形貌,可以有效地促进钙钛矿薄膜的生长,减少缺陷。 
  • 优异的亲和性: PDTON 能够与钙钛矿前驱体溶液形成良好的亲和性,促进钙钛矿薄膜的沉积,并有助于形成高质量的钙钛矿薄膜。 
  • 有效钝化缺陷: PDTON 可以钝化钙钛矿/HTL 界面处的缺陷,降低非辐射复合,并增强器件的稳定性。 
  • 双重功能: SnO 作为主要的空穴传输层,PDTON 作为共空穴传输层,两者协同作用,进一步提升了器件的性能。 

研究结果与讨论

研究人员利用 SnO/PDTON 双层 HTL 制备了倒置 TPSMs,并对其性能进行了测试。结果表明: 

高效的器件性能: 基于 SnO/PDTON 双层 HTL TPSMs 实现了超过 10% 的效率,并且电流滞后现象非常低。 

大面积模块的制备: 该团队首次成功制备了活性面积为 25.2 cm2 TPSMs 模块,并实现了超过 10% 的效率。 

研究人员利用一系列表征技术,包括 X 射线光电子能谱 (XPS)、扫描电子显微镜 (SEM)、原子力显微镜 (AFM)、电化学阻抗谱 (EIS) 等,对 SnO/PDTON 双层 HTL 的结构、形貌和性能进行了分析。结果表明,SnO/PDTON 双层 HTL 能够有效地提高器件的效率和稳定性,并具有良好的可扩展性。 
该研究在钙钛矿太阳能电池的商业化过程中取得了重要的突破,主要体现在以下几个方面: 

  • 突破 HTL 性能瓶颈: 该研究首次将 SnO PDTON 两种 HTL 材料巧妙结合,形成了具有优异性能的双层 HTL,为 HTL 材料的设计提供了一种新的思路。 
  • 实现高效率大面积模块: 该研究成功制备了活性面积为 25.2 cm2 TPSMs 模块,并实现了超过 10% 的效率,为大面积钙钛矿太阳能电池模块的产业化应用开辟了新的道路。 
  • 改善器件稳定性: SnO/PDTON 双层 HTL 能够有效抑制界面缺陷,提高器件的稳定性。 

结论与展望

该研究开发了一种独特的 SnO/PDTON 双层 HTL 结构,有效提升了 TPSMs 的效率和稳定性,并为实现大面积可印刷锡基钙钛矿太阳能电池模块的产业化应用开辟了新的道路。 

未来,可以通过进一步优化 SnO PDTON 的制备工艺和界面工程,以及结合其他材料和器件结构设计,进一步提升 TPSMs 的性能,推动其在光伏领域的应用。 

本文參數圖

FigS10

Fig. 2_ 三種 HTL 器件的 PV 參數分佈顯示不同 HTL 在小面積器件中的 PV 參數分佈,幫助理解其整體性能表現。

FigS11

Fig.S3_三種 HTL I-V 曲線通過 I-V 曲線觀察不同 HTL 器件在高電壓下的電流響應,分析電荷轉移和器件穩定性。

FigS12

Fig.S8_ TPsk 薄膜在不同 HTL 上的 I-V 曲線,以及根據 SCLC 理论计算的陷阱密度和迁移率通過 I-V 曲線分析 TPsk 薄膜的電荷傳輸特性,利用 SCLC 理论计算陷阱密度和迁移率,深入了解器件的電荷傳輸效率和性能。

FigS14
FigTS1

原文出处

ADVANCED ENERGY MATERIALS _ https://doi.org/10.1002/aenm.202400346

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