在鈣鈦礦太陽能電池領域，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電氧化物（TCO）基底形成化學鍵合。
在鈣鈦礦光伏領域，SAM沉積技術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鍵。
使用預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合速率。
通過TRPL測量來提取載流子復合參數(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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