在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域，界面和鈣鈦礦層的異質(zhì)性一直是提高效率的主要障礙，尤其在大面積應(yīng)用中更為突出。新加坡國立大學NUS侯毅團隊于Nature Photonics Volume 18. 9月號(DOI: 10.1038/s41566-024-01531-x)的研究發(fā)表中證實，自組裝分子（SAMs）的無定形相能顯著改善鈣鈦礦的生長均勻性。高光譜分析結(jié)果顯示，鈣鈦礦/無定形SAMs結(jié)構(gòu)中的光致發(fā)光峰分布更為集中且呈現(xiàn)藍移。時間分辨光致發(fā)光研究進一步表明，基于無定形SAM的鈣鈦礦薄膜中陷阱輔助復(fù)合速率降低至0.5×10^6 s^-1。這些改進使p-i-n結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池在1平方厘米面積上實現(xiàn)了25.20%的效率（經(jīng)認證為24.35%）。更值得注意的是，這些電池在ISOS-L-1標準下經(jīng)過600小時的最大功率點跟蹤后，效率仍保持接近100%，在ISOS-T-2標準下經(jīng)過1,000小時的85°C熱應(yīng)力測試后，仍保持90%的初始效率。此外，與晶態(tài)SAMs相比，非晶態(tài)SAMs能有效降低缺陷密度，減少陷阱輔助的復(fù)合速率，進一步優(yōu)化效率和穩(wěn)定性。
顯示了在ISOS-T-2I協(xié)議下，封裝設(shè)備在85°C、黑暗和氮氣環(huán)境中的穩(wěn)定性測試。比較了兩種不同的自組裝分子（SAM）：
c-SAM（綠色線）：隨著時間的推移，功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）逐漸下降。
a-SAM（藍色線）：PCE保持相對穩(wěn)定，顯示出更好的穩(wěn)定性。
結(jié)果表明，a-SAM在長時間運行中具有穩(wěn)定性。
晶態(tài)SAM (Me-4PACz) 和非晶態(tài)SAM (Ph-4PACz)研究手法
近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）研究呈現(xiàn)出對倒置（p-i-n）結(jié)構(gòu)的偏好趨勢，其功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）與傳統(tǒng)正向結(jié)構(gòu)（n-i-p）的差距逐漸縮小。這一效率提升很大程度上歸功于自組裝分子（SAMs）作為空穴傳輸材料（HTM）的應(yīng)用。典型的HTM SAMs結(jié)構(gòu)包含空穴傳輸組分、錨定基團和間隔物，其中錨定基團（如磷酸）與金屬氧化物或透明導(dǎo)電氧化物（TCO）基底形成化學鍵合。
在鈣鈦礦光伏領(lǐng)域，SAM沉積技術(shù)通常采用快速溶液處理，與傳統(tǒng)單分子層概念不同。SAMs易聚集或結(jié)晶，主要受弱庫侖力和強范德華力驅(qū)動。未錨定SAMs常堆積在已錨定分子上，形成納米厚度的疏松層。這類似于染料敏化和有機太陽能電池中的非理想結(jié)晶現(xiàn)象。然而，SAMs在TCO基底上的大面積均勻性研究仍有限。
本研究比較了晶態(tài)SAM (Me-4PACz) 和非晶態(tài)SAM (Ph-4PACz)，揭示了立體位阻和分子間相互作用在實現(xiàn)均勻非晶態(tài)SAM中的關(guān)鍵作用。以下為綜合研究論文及補充資料的研究步驟:
樣品制備：確保SAMs均勻覆蓋在基板上，為后續(xù)的鈣鈦礦生長提供良好的界面。
使用圖案化的ITO或FTO玻璃基板，經(jīng)過清洗和紫外臭氧或空氣等離子處理。
合成了特定的化合物，如Ph-4PACz
將c-SAM或a-SAM溶液旋涂在基板上，并加熱以形成薄膜。
鈣鈦礦薄膜制備：形成高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜是提高電池效率的關(guān)鍵。
使用預(yù)先配制的鈣鈦礦前驅(qū)溶液，經(jīng)過旋涂和退火處理形成鈣鈦礦薄膜。
GIWAXS表征：確認SAMs的無定形相有助于均勻的鈣鈦礦生長。
使用掠射廣角X射線散射技術(shù)來分析SAMs的結(jié)晶性和形貌。
SFig11.展示了GIWAXS（廣角X射線散射）分析的徑向輪廓，分別在面內(nèi)和面外方向上對c-SAM和a-SAM進行整合。
(a) 面內(nèi)方向：
上圖：a-SAM的散射強度隨著qq的增加而減少。
下圖：c-SAM的散射強度顯示出類似的趨勢，但有更多細節(jié)和波動。
(b) 面外方向：
上圖：a-SAM的散射強度在低qq值處有一個峰值，隨后逐漸減少。
下圖：c-SAM在低qq值處顯示出多個明顯的峰值，表明其結(jié)構(gòu)有序性更高。
分子動力學（MD）模擬：提供對SAMs均勻性和分子間相互作用的深入理解。
模擬SAMs在TCO基板上的分子分布。
光致發(fā)光（PL）和時間分辨光致發(fā)光（TRPL）分析：評估界面缺陷和非輻射復(fù)合對電池性能的影響。
測量鈣鈦礦/SAMs薄膜的PL峰分布和陷阱輔助復(fù)合速率。
通過TRPL測量來提取載流子復(fù)合參數(shù)，理解太陽能電池內(nèi)部的載流子動態(tài)和能量轉(zhuǎn)換，有助于優(yōu)化太陽能電池的設(shè)計
電流-電壓（J-V）特性測量：直接評估電池的效率和穩(wěn)定性，為衡量研究成果的重要指標。
測量電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）和其他電性能參數(shù)。
新加坡國立大學NUS侯毅團隊為光焱科技的用戶，長期采用多項來自光焱科技的表征設(shè)備進行研究
上圖為SS-X 3A+級別AM1.5太陽光模擬器使用示意圖，另外，搭配QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案，能在軟件操作下具有效率地為表征程序的測量取得精準并具高重復(fù)性的數(shù)值。
1cm2 a-SAM基器件展現(xiàn)效率超25%性能
高性能的c-SAM-PSCs和a-SAM-PSCs均采用p-i-n結(jié)構(gòu)，其組成為玻璃/摻氟錫氧化物(FTO)/c-SAM或a-SAM/Cs 0.1FA 0.9 PbI 3 /C 60 /bathocuproine (BCP)/Ag，隨著a-SAM均勻性的提升，1cm2 a-SAM基器件展現(xiàn)效率達25.20%，開路電壓(VOC)為1.175V，填充因子(FF)為84.0%，短路電流密度(JSC)為25.6mA cm?2，創(chuàng)下1cm2器件效率超25%的新紀錄。相較之下，c-SAM基器件的Voc和FF略低，分別為1.153V和81.6%，整體效率為24.0%。
值得關(guān)注的是，1cm2 c-SAM和a-SAM器件在FF上存在顯著差異（c-SAM器件平均FF為81%，a-SAM器件為83.5%）。研究團隊推測這源于兩種SAM的均勻性差異。為驗證性能，研究人員將一個1cm2 PSC進行認證。與已發(fā)表文獻中報告的n-i-p和p-i-n結(jié)構(gòu)相比，顯示研究團隊的1cm2 PSC實現(xiàn)了24.35%的最大功率點跟蹤（MPPT）效率，是一項顯著的認證效率a-SAM基器件的外量子效率（EQE）結(jié)果如，積分得到的JSC為26.3mA cm-2。
此外，研究團隊更對有效面積為1.70cm2的相同結(jié)構(gòu)器件進行了電致發(fā)光映射。c-SAM器件映射中出現(xiàn)幾處暗區(qū)，表明鈣鈦礦組分分布不均。相比之下，a-SAM器件在整個電池區(qū)域展現(xiàn)出更高且更均勻的電致發(fā)光強度。并與光致發(fā)光（PL）映射結(jié)果一致，表明空穴傳輸材料（HTM）/鈣鈦礦界面的非輻射復(fù)合顯著減少。這種減少有助于提高開路電壓（Voc）、填充因子（FF）和整體器件穩(wěn)定性，因為界面缺陷得到了緩解。
研究人員按照ISOS-L-1I和ISOS-T-2I進行了嚴格的穩(wěn)定性評估。在連續(xù)的一個太陽光強度照明下，相對濕度85%的環(huán)境中進行600小時最大功率點跟蹤（MPPT）后，封裝的a-SAM器件保持了接近100%的初始效率，表現(xiàn)出色。相比之下，c-SAM器件在類似條件下400小時后效率降至85%以下。此外，a-SAM基器件經(jīng)歷1000小時85°C熱應(yīng)力測試后仍保持90%的初始效率，遠優(yōu)于c-SAM基器件，后者僅保持56%的初始效率。
文獻參考自Nature Photonics Volume 18. 9月號_DOI: 10.1038/s41566-024-01531-x
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