通过空穴选择性界面工程实现低于0.4V的开路电压损失的高效宽禁带钙钛矿太阳能电池

导言

近年来，单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）取得了显著进展，光电转换效率（PCE）已超过26%。然而，为了进一步提升效率并突破Shockley-Queisser（SQ）极限，宽禁带钙钛矿太阳能电池（WBG-PSCs）作为叠层太阳能电池的顶电池，受到了广泛关注。然而，目前大多数WBG-PSCs（E_g > 1.65 eV）的开路电压（V_OC）损失较大，通常超过0.45 V，这限制了叠层太阳能电池的效率提升。为了进一步降低WBG-PSCs的V_OC损失，研究人员致力于通过成分工程、缺陷钝化和新型电荷选择性材料的开发来改善界面能级对齐。然而，V_OC损失仍普遍大于0.45 V。因此，开发新型材料以解决WBG-PSCs的问题至关重要。

相关成果以“高效宽禁带钙钛矿太阳能电池：通过空穴选择性界面工程实现低于0.4V的开路电压损失”为题发表。原文链接：https://doi.org/10.1007/s11426-023-1966-1。希望该研究能为您的科学研究或工业生产带来一些灵感和启发。

正文

宽禁带钙钛矿太阳能电池（WBG-PSCs）因其在叠层光伏中的潜力而备受关注。然而，目前大多数WBG-PSCs的开路电压（V_OC）损失较大，限制了其效率提升。为了降低V_OC损失，研究人员通过成分工程、缺陷钝化和新型电荷选择性材料的开发来改善界面能级对齐。然而，V_OC损失仍普遍大于0.45 V。为了进一步降低V_OC损失，华东理工大学吴永真教授团队提出了一种基于两亲性分子空穴选择性材料（HSMs）的界面工程策略，通过在钙钛矿和基底之间插入含有氰基乙烯基膦酸（CPA）锚定基团的分子，显著提高了WBG-PSCs的V_OC。

在p-i-n结构中，钙钛矿沉积在空穴选择性层（HSL）上，因此HSL的性质对钙钛矿吸收层的结晶过程至关重要。理想的HSL应具有高润湿性、良好的钙钛矿结晶能力、界面缺陷钝化能力和与WBG钙钛矿价带的良好能级对齐。本研究中，通过改变三苯胺基团上的取代基（甲氧基、甲基和氢），合成了三种CPA基HSMs，分别为MPA-CPA、MePA-CPA和TPA-CPA。这些分子在ITO基底上动态形成双层结构，显著改善了钙钛矿薄膜的质量和器件性能。

结果与讨论

分子能级调控与钙钛矿薄膜特性

研究人员通过改变三苯胺基团上的取代基，合成了三种氰基乙烯基膦酸（CPA）基空穴选择性材料（HSMs），分别为MPA-CPA、MePA-CPA和TPA-CPA。这些分子在ITO基底上动态形成双层结构，包含化学锚定的自组装单分子层和未吸附的上层。通过紫外-可见吸收光谱（UV-vis）和循环伏安法（CV）测量，研究人员估算了这些HSMs的分子能级。图1展示了这些材料的CV曲线和UV-vis吸收光谱，表明MePA-CPA的HOMO能级（-5.59 eV）*接近WBG钙钛矿的价带（-5.64 eV），从而实现了更好的能级对齐。

图1 分子型空穴选择性材料（HSMs）与钙钛矿薄膜。（a）基于CPA分子的双层堆叠结构在玻璃/ITO基底上的示意图。（b）MPA-CPA、MePA-CPA和TPA-CPA的分子结构。（c）钙钛矿与分子型HSMs的能量图。（d）沉积在MPA-CPA、MePA-CPA和TPA-CPA上的宽带隙（WBG）钙钛矿薄膜的X射线衍射（XRD）图案。（e–g）沉积在不同HSMs上的WBG钙钛矿薄膜底部表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。

钙钛矿薄膜的形貌与结晶性

研究人员通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对不同HSMs处理的钙钛矿薄膜进行了表征。图S5展示了钙钛矿薄膜的SEM图像，表明不同HSMs处理的钙钛矿薄膜在形貌和结晶性上没有显著差异。这表明分子工程策略并未改变钙钛矿薄膜的结晶质量和形貌。

能级对齐改善器件性能

研究人员通过调整HSMs的能级，显著提高了WBG-PSCs的开路电压（VOC）。图2a展示了基于不同HSMs的WBG-PSCs的电流密度-电压（J-V）曲线。结果显示，基于MePA-CPA的器件实现了1.29 V的V_OC和22.3%的光电转换效率（PCE），这是目前报道的WBG-PSCs中V_OC损失*低的值（0.39 V）。

图2 不同空穴选择性材料（HSMs）上沉积的宽带隙（WBG）器件的性能。（a）沉积在不同HSMs上的WBG钙钛矿器件的典型电流密度-电压（J-V）曲线。（b）沉积在MPA-CPA、MePA-CPA和TPA-CPA上的WBG钙钛矿太阳能电池（WBG-PSCs）的外量子效率（EQE）曲线，其积分短路电流密度（J_SC）值分别为20.83 mA cm⁻²、20.87 mA cm⁻²和20.61 mA cm⁻²。（c）WBG钙钛矿器件的开路电压（V_OC）直方图。（d）总结了带隙约为1.68 eV的WBG-PSCs中报告的开路电压（V_OC）值。本研究中的值用星号标出。（e）沉积在不同HSMs上的WBG钙钛矿器件的电致发光外量子效率（EQE_EL）。（f）基于ITO/HSL/1.68 eV钙钛矿/PEAI/C₆₀样品的光致发光量子产率（PLQY）值计算得到的稳态开路光生电压。

非辐射复合损失的降低

为了量化非辐射复合对V_OC的影响，研究人员测量了这些WBG-PSCs的电致发光（EL）光谱。通过分析这些器件在20.7 mA/cm²注入电流密度下的EL光谱，计算得知，MePA-CPA基器件的非辐射复合V_OC损失（∆V3）仅为0.114 V，远低于MPA-CPA（0.148 V）和TPA-CPA（0.165 V）。

穿透型CPA分子抑制卤化物相分离

研究人员进一步研究了双层结构对WBG钙钛矿相稳定性的影响。图3a展示了双层结构的示意图，图3b和3c展示了目标和对照钙钛矿薄膜在光照条件下的光致发光（PL）光谱。结果显示，目标钙钛矿薄膜在光照条件下的PL峰变化较小，表明其具有更高的光稳定性。

图3 双层结构对宽带隙（WBG）钙钛矿薄膜相稳定性的影响。（a）钙钛矿薄膜在双层结构和自组装单分子层（SAM）上沉积的示意图。双层结构中未吸附的基于CPA的分子会部分渗透到钙钛矿层中。（b）目标钙钛矿薄膜和（c）对照钙钛矿薄膜在光照（氙灯，1个标准太阳强度）下20分钟内的稳态光致发光（PL）光谱演化。

穿透型CPA分子抑制卤化物相分离

研究人员进一步研究了双层结构对WBG-PSCs稳定性和重现性的影响。图4a和4b展示了基于目标和对照钙钛矿薄膜的器件性能分布。结果显示，目标器件的PCE分布更窄，V_OC和填充因子（FF）的分布也更集中。此外，研究人员还制备了大面积（>1 cm²）的WBG-PSCs，图4c展示了冠军器件的J-V曲线，实现了21.46%的PCE。

图4 宽带隙钙钛矿太阳能电池（WBG-PSCs）的可重复性和稳定性。（a）基于目标钙钛矿和对照钙钛矿的WBG-PSCs在反向扫描模式下从J-V特性曲线中获得的开路电压（V_OC）统计值；（b）光电转换效率（PCE）统计值。（c）面积超过1平方厘米的*佳WBG-PSC的J-V曲线。（d）目标钙钛矿基WBG-PSC和（e）对照钙钛矿基WBG-PSC在2.0伏正向偏压下20分钟的电致发光（EL）成像图。发光区域的面积为0.065平方厘米。标尺表示器件的归一化电致发光强度。（f）在氮气条件下WBG-PSCs的运行稳定性。
 

本文中使用的光电测试系统是卓立汉光公司的DSR600光电探测器光谱响应度标定系统。DSR600光电探测器光谱响应度标定系统结合了北京卓立汉光仪器有限公司给多家科研单位定制的光谱响应系统的特点和经验，采用国家标准计量方法进行全自动测试，是光电器件、光电转换材料的光谱响应性能研究的必备工具。

结论

本研究通过设计和合成一系列CPA基HSMs，显著提高了WBG-PSCs的V_OC和稳定性。通过调整三苯胺基团上的取代基，优化了HSMs的HOMO能级，从而实现了与WBG钙钛矿的更好能级对齐。基于MePA-CPA的WBG-PSCs实现了1.29 V的V_OC和22.3%的PCE，这是目前报道的WBG-PSCs中V_OC损失*低的值（0.39 V）。此外，双层结构显著提高了WBG-PSCs的稳定性和重现性，为未来钙钛矿/硅叠层太阳能电池的应用提供了新的思路。

通讯作者及其团队介绍

吴永真  华东理工大学化学与分子工程学院教授、博士生导师。分别于2008、2013年在华东理工大学获得应用化学专业学士和博士学位，2013-2016在日本筑波国立物质材料研究所从事博士后研究，2016年10月回国工作，主要研究方向为新型太阳能电池材料与器件。在Science, Nat. Energy, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Adv. Mater., Energy Environ. Sci. 等国际主流学术期刊上发表SCI收录论文80余篇，被SCI他引11000余次，H指数45。入选交叉领域2019-2021年全球高被引科学家(科睿唯安)，曾获得国家自然科学二等奖（2019年，第三完成人）、上海市自然科学一等奖（2017年，第三完成人）、中国化学会青年化学奖（2020年）。先后入选上海市“东方学者”（2016年）、中国化学会“青年人才托举工程”（2017年）和国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”（2018年）等人才项目资助。

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