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内容

Nature_KAUST Stefaan De Wolf 团队双面 2D/3D 异质结倒置 PSCs 实现 25.6% 转换效率

Enlitech-顶尖团队评分!

摘要

三维 (3D) 钙钛矿吸光材料的顶部和底部界面处的缺陷会降低钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的性能和工作稳定性,这归因于电荷复合、离子迁移和电场不均匀性。阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) Stefaan De Wolf 教授和蔚山国立科学技术研究院 (UNIST) Sang Il Seok 教授领导的团队在 Nature 期刊发表最新研究成果,展示了长链烷基胺配体可以在顶部和底部 3D 钙钛矿界面处生成近相纯 2D 钙钛矿,并有效解决上述问题。该研究开发的双面 2D/3D 异质结倒置 PSCs 实现了 25.6% 的功率转换效率 (认证效率 25.0%),并在 85 °C 空气中 1 个太阳照射 1000 小时后仍能保持 95% 的初始效率。值得一提的是,该课题组使用光焱科技获得 ISO 17025 认证的太阳光仿真器和量子效率测试系统,确保了器件效率测试的准确性和可靠性,进一步提升了研究成果的可信度。

EnliReport

研究背景与核心概念

近年来,PSCs 凭借其高效率、低成本等优势成为光伏领域的研究热点。然而,PSCs 的长期稳定性仍然是制约其商业化应用的关键瓶颈。3D 钙钛矿吸光材料的顶部和底部界面处的缺陷会导致电荷复合、离子迁移和电场不均匀性,从而降低器件的效率和稳定性。

为了解决这些问题,研究人员开发了各种界面工程策略,其中 2D/3D 钙钛矿异质结表现出良好的应用前景。通常,2D/3D 异质结是透过将 2D 配体溶液后处理沉积的 3D 钙钛矿薄膜,透过阳离子交换重建 3D 钙钛矿表面形成的。然而,这种策略仅适用于 3D 钙钛矿薄膜的顶表面,而且通常会导致形成具有多种维度 (n = 1, 2, 3 ) 和随机晶体取向的混合 2D 钙钛矿,这可能会导致界面能量不均匀性,并阻碍电荷传输。相比之下,相纯 2D 钙钛矿钝化可以显著降低电荷陷阱密度和离子迁移,从而显著提高器件的性能和稳定性。 

研究方法与主要发现

为了构建双面 2D/3D 异质结,研究人员采用了两种不同的策略:

1.底部 2D/3D 异质结: 

  • ITO 底电极上,透过自组装单层 (SAM) 分子 2PACz 锚定空穴收集触点 (p )。 
  • 4-羟基苄胺 (HBzA) 配体与 2PACz SAM 溶液混合,并涂覆在 ITO 底电极上。HBzA 的胺头与 2PACz 的膦酸基团 (-PO(OH)2) 发生酸碱反应,形成离子键,从而增强 HBzA 在后续处理过程中的附着力。 
  • 旋涂 3D 钙钛矿墨水,并在热退火过程中,HBzA 配体被释放,透过与 3D 钙钛矿墨水中的甲脒 (FA+) 或铯 (Cs+) 发生阳离子交换,在底部界面形成 2D 钙钛矿。 

2.顶部 3D/2D 异质结: 

  • 在制备好的 3D 钙钛矿薄膜上,透过真空蒸镀沉积一层厚度可控的 PbI2 层。 
  • HBzA 盐溶液或 HBzA + 甲脒碘化物溶液滴在钙钛矿/PbI2 薄膜上。 
  • 热退火形成具有可控维度和相纯度的 2D 钙钛矿层。 

研究人员利用一系列表征技术,包括 X 射线光电子能谱 (XPS)、扫描透射电子显微镜 (STEM)、光致发光 (PL) 光谱和掠入射广角 X 射线散射 (GIWAXS) 等,对双面 2D/3D 异质结的形成过程和结构进行了深入分析。 

研究结果与讨论

研究结果表明,HBzA 配体可以有效地锚定在 ITO/2PACz 表面,并在 3D 钙钛矿沉积后释放,形成底部 2D/3D 异质结。顶部 3D/2D 异质结的形成则依赖于 PbI2 层的厚度控制和 HBzA 盐溶液的滴涂。透过优化 2D 配体浓度和 PbI2 层厚度,研究人员成功制备了近相纯的 2D 钙钛矿钝化层。

器件性能: 

  • 双面 2D/3D 异质结 PSCs 实现了 25.63% 的最高功率转换效率 (PCE) 
  • 为了确保 PCE 测量的准确性,该研究采用了光焱科技获得 ISO 17025 认证的太阳光仿真器进行测试,并获得了 25.00% 的认证效率。 
  • 与没有 2D/3D 异质结的控制组器件以及仅有顶部或底部 2D/3D 异质结的器件相比,双面 2D/3D 异质结 PSCs PCE 显著提高。 

器件稳定性: 

  • 封装的双面 2D/3D 异质结器件在 85 °C 空气中 1 个太阳照射 1000 小时后仍能保持 95% 的初始 PCE 
  • 相比之下,控制组器件和仅有单面钝化的器件在相同条件下的稳定性较差。 

性能提升原因: 

  • PL 量子产率和 TRPL 测试结果表明,双面 2D/3D 异质结有效抑制了界面处的电荷复合,并延长了载流子寿命。 
  • 空间电荷限制电流 (SCLC) 和热导纳谱 (TAS) 分析表明,双面 2D/3D 异质结显著降低了钙钛矿薄膜中的缺陷态密度。 
  • 电容电压测量和截面开尔文探针力显微镜 (KPFM) 分析表明,双面 2D/3D 异质结有效减少了界面处的电荷累积和电场不均匀性。 
  • 碘释放和离子迁移测试结果表明,双面 2D/3D 异质结有效抑制了碘的生成和迁移,提高了钙钛矿晶体的稳定性。

关于 ISO 17025 认证 

ISO 17025 是实验室认可的国际标准,旨在确保实验室具备技术能力和管理体系,能够持续提供准确可靠的测试和校准结果。光焱科技的太阳光仿真器和量子效率测试系统均获得 ISO 17025 认证,这意味着其设备和测试方法符合国际标准,测试结果具有高度的可信度和可追溯性。这对于科研成果的发表和产业化应用都至关重要。 

结论与展望

该研究提出的双面 2D/3D 异质结策略为制备高效稳定的倒置 PSCs 提供了一种新思路。透过在 3D 钙钛矿吸光材料的顶部和底部界面处形成近相纯 2D 钙钛矿钝化层,有效解决了界面缺陷导致的电荷复合、离子迁移和电场不均匀性问题,从而显著提高了器件的效率和稳定性。透过采用光焱科技获得 ISO 17025 认证的设备进行测试,进一步保证了研究结果的准确性和可靠性。

未来,可以透过进一步优化 2D 配体和界面工程,以及结合其他材料和器件结构设计,进一步提升 PSCs 的性能,推动其在光伏领域的应用。

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Fig S8_ 
子圖a:展示了沒有白光偏置的雙面2D/3D異質結基礎設備的EQE曲線,以及估算帶隙為1.53 eVCs0.02MA0.75FA0.95PbI3鈣鈦礦材料EQE曲線的一階導數 

子圖b:展示了估算帶隙為1.54 eVCs0.05FA0.95PbI3鈣鈦礦材料EQE曲線及其一階導數  

兩個子圖中的EQE曲線都顯示了在特定波長範圍內的高效率平台,這表明材料對光的吸收和轉換效率很高。文本描述指出,從J-V分析得到的Jsc值與從EQE分析積分得到的Jsc值一致,誤差小於1%。這說明了實驗數據的一致性和可靠性。

Reference

nature, Published: 21 February 2024   

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07189-3 

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