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西北大学Edward H. Sargent 教授团队:利用双位点结合配体提升反转钙钛矿太阳能电池的电荷提取效率

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反转结构 (pin) 钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 相较于其 nip 结构,具有更高的操作稳定性,但在功率转换效率 (PCE) 方面一直落后。造成 pin PSCs 效率较低的主要原因,源自于钙钛矿和电荷传输层之间接口的能量损失。为了解决这个问题,通常会使用钝化配体作为添加剂或进行表面处理,但这些配体通常只会与单一活性结合位点结合。这种与表面垂直且密集堆积的电阻钝化剂,可能会限制 pin PSCs 的填充因子。 

Edward H. Sargent 教授领导的 Northwestern University 研究团队,在著名的《科学》期刊上发表了一篇题为“Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands”的研究论文,报导了一种新型双位点结合配体,可以有效提升反转钙钛矿太阳能电池的电荷提取效率,进而提升器件效率。 

Sargent 教授团队发现,某些配体可以在钙钛矿上以平面配体方向结合两个相邻的铅 (II) 离子 (Pb2+) 缺陷位点。这些双位点结合配体,可以有效降低 pin PSCs 中的非辐射复合损失,进而提高填充因子。研究人员使用这些配体制造了 pin PSCs,并报告了经过认证的准稳态 PCE,分别在 0.05 平方公分和 1.04 平方公分的照明面积下,达到了 26.15% 24.74% 的效率。这些器件在 65°C 下,连续 1 个太阳最大功率点运行 1200 小时后,仍能保持 95% 的初始 PCE 

为了准确测量器件的外部量子效率 (EQE)Sargent 教授团队使用了光焱科技 (enlitech) QE-R 量子效率测试系统。QE-R 系统以其紧凑、灵活的设计著称,非常适合用于各种太阳能电池测试,包括硅、薄膜、串联、CPVCIGSOPVDSSC 和钙钛矿太阳能电池。 

文中插圖 Figure_S19.S20

这项研究的关键在于双位点结合配体的平面配体方向,它允许电荷更容易地通过钝化层,而不会被垂直排列的配体阻挡。此外,双位点结合也能更有效地钝化 Pb2+ 缺陷位点,进一步减少非辐射复合。 

Sargent 教授团队的研究成果,为提升反转钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性,开辟了一条新的途径。随着这些配体的进一步开发和优化,pin PSCs 有望在未来实现更高的效率和更长的寿命,从而为下一代太阳能技术的发展做出贡献。 

Reference 

SCIENCE, 11 Apr 2024, Vol 384, Issue 6692 

https://doi.org/10.1126/science.adm9474 

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