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去年Science,今日Nature!華中科大劉宗豪/陳煒再發頂刊!

與“正常”器件結構相比,具有“倒置”結構的鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)具有更好的功率轉換效率(PCE)和運行穩定性,是將這種新興光伏技術商業化的關鍵途徑。
具體來說,由于改進的自組裝分子(SAMs)1-5和鈍化策略的發展,倒置PSCs的PCE超過了25%。然而,SAMs較差的潤濕性和團聚會導致界面損失,阻礙了PCE和穩定性的進一步提高。
在此,來自韓國成均館大學的Nam-Gyu Park & 華中科技大學的劉宗豪和陳煒等研究者報道了一種多羧酸功能化的芳香化合物4,4’,4’’-硝基三苯甲酸(NA)與一種常用的SAM[4-(3,6-二甲基- 9h -咔唑-9-基)丁基]膦酸(Me-4PACz)共組裝,以改善其異質結界面,從而在倒置PSCs中實現了分子雜化。相關論文以題為“Buried interface molecular hybrid for inverted perovskite solar cells”于2024年06月26日發表在Nature上。
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具有倒置(p-i-n)結構的鈣鈦礦太陽能電池(PSCs),由于其具有競爭力的PCEs,良好的穩定性以及與串聯太陽能電池的兼容性,被認為是這一新興光伏技術商業化的主流技術路線之一。
目前,由于孔選擇層(HSLs)和鈍化策略的發展,它們的PCEs超過了25%。特別是基于SAMs的HSLs,由于其具有有效提取載流子的合適能級和低非輻射復合損耗等優點,近年來在高效倒轉PSCs中得到了廣泛應用。
然而,常用的SAMs,如[4-(3,6-二甲基- 9h -咔唑-9-基)丁基]膦酸(Me-4PACz),在底物上的分布不均勻,對鈣鈦礦前驅體的表面潤濕性較差。這些特性使得在Me-4PACz表面直接沉積高質量的鈣鈦礦薄膜成為一個挑戰。這些缺點將導致較低的制造成品率和埋地界面的不希望的界面損耗,特別是在制造大面積器件時。
在這里,研究者報道了一種雜化SAM策略,其中廣泛使用的SAM Me-4PACz與多羧酸功能化的芳香分子4,4′, 4”-硝基三苯甲酸(NA)組裝,在氧化鎳(NiO)表面形成混合SAM(標記為NA- me),以制備倒置的PSCs
在Me-4PACz層中加入NA分子后,鈣鈦礦溶液在HSL上的潤濕性得到改善,導致納米空隙減少,埋藏界面處的應力釋放。
由于Me-4PACz與NA分子中的三苯胺部分相互作用,NA-ME可以減少Me-4PACz的團聚,使Me-4PACz的分布均勻化,從而促進載流子的提取,減少NiO/鈣鈦礦界面的非輻射復合。
基于FA0.95Cs0.05PbI3成分的甲脒銫(FACs)鈣鈦礦的反向器件在高開路電壓(VOC)為1.201 V(認證穩態效率為26.54%)和23.06%(認證穩態效率為22.74%)的情況下,對于孔徑面積為11.1 cm2的小面積PSCs和微型模塊,PCEs分別達到26.69%和23.06%。
此外,該器件在65°C的環境空氣中在1太陽等效白光發光二極管(LED)照明下工作超過2,400小時,在濕熱測試條件下老化超過500小時后,其初始PCEs分別保持了96.1%和97.4%。
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圖1 HSL異質結的計算模擬。
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圖2 鈣鈦礦襯底區域的形貌和結構。
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圖3 減少界面能損失。
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圖4 器件的光伏性能。
綜上所述,基于NA-ME的設備在2400小時內保留了大約96.1%的初始PCE(26.21%),而使用Me-4PACz的設備在1580小時后僅保留了66.5%的初始PCE(22.75%)。
因此,該器件實現了高效率和良好的運行穩定性,這表明使用NA-Me的界面分子雜化工程是顯著提高倒置PCEs效率和穩定性的有效方法。
據悉,陳煒老師去年剛發完Science,今年又上Nature,同時還有多篇頂刊。
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陳煒教授近年先后主持自然科學基金4項、國家重點研發計劃青年項目(子課題負責1項)、與企業合作研發橫向課題2項,參與國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)1項等科研項目。迄今共發表SCI收錄論文70余篇,其中第一作者或通訊作者(含共同)共計47篇(包括Science 2篇,Science Advances 2篇,Nature Energy 1篇,Nauture Commun 1篇,Energy & Environmental Science 1篇,Adv Mater 2篇,Adv Energy Mater 2篇,Adv Funct Mater 1篇)。
【參考文獻】
Liu, S., Li, J., Xiao, W. et al. Buried interface molecular hybrid for inverted perovskite solar cells. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07723-3
原文鏈接:http://www-nature-com-s.zju.yyttgd.top/articles/s41586-024-07723-3

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