摘要

可印刷介孔鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (p-MPSCs) 由于其簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的制備工藝，在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，在 p-MPSCs 中，填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔層中的鈣鈦礦薄膜厚度通常達(dá)到 3 μm，這使得鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)性。為了克服這一挑戰(zhàn)，華中科技大學(xué)的 Hongwei Han 和 Xinhui Lu 研究團(tuán)隊(duì)在 Advanced Functional Materials 期刊上發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，他們使用一種多功能氟化分子作為添加劑，有效改善了鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程，提升了器件的效率，并增強(qiáng)了其工作穩(wěn)定性。

本研究推薦使用設(shè)備
TPCV鈣鈦礦太陽(yáng)能電池瞬態(tài)光電流光電壓測(cè)試儀

研究背景與核心概念

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSCs) 憑借其高效率、低成本和可印刷性等優(yōu)勢(shì)，成為最有希望取代傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池的下一代光伏技術(shù)。近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSCs) 的效率不斷攀升，已突破 25% 的瓶頸，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題仍然是阻礙其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

可印刷介孔鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (p-MPSCs) 由于其簡(jiǎn)單的制備工藝和可擴(kuò)展性，在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，在 p-MPSCs 中，由于鈣鈦礦薄膜需要填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔層中，其厚度通常達(dá)到 3 μm，這使得鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)性。

研究方法與主要發(fā)現(xiàn)

為了解決 p-MPSCs 中的鈣鈦礦結(jié)晶問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種多功能氟化分子 (6FDA) 作為添加劑，以改善鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程，提升器件的效率和穩(wěn)定性。

6FDA 分子具有以下特點(diǎn)：

l缺陷鈍化: 6FDA 的羰基可以與鈣鈦礦中的未配位 Pb2+ 形成強(qiáng)烈的配位作用，從而有效鈍化缺陷，降低非輻射復(fù)合。

l疏水性: 6FDA 的疏水性可以提高器件的抗水性，增強(qiáng)其長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。

研究人員將 6FDA 添加到鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，并通過(guò)一系列表征手段，包括 X 射線衍射 (XRD)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、X 射線光電子能譜 (XPS)、穩(wěn)態(tài)/時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜 (PL/TRPL) 等，對(duì)鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌和光電性能進(jìn)行了分析。

為了更深入地了解 6FDA 對(duì)器件載流子動(dòng)力學(xué)的影響，研究人員還進(jìn)行了瞬態(tài)光電流 (TPC) 和瞬態(tài)光電壓 (TPV) 測(cè)試。TPC 測(cè)量可以評(píng)估器件中載流子的傳輸時(shí)間，而 TPV 測(cè)量可以評(píng)估器件的光電壓衰減時(shí)間，從而進(jìn)一步了解載流子復(fù)合和器件穩(wěn)定性。

研究結(jié)果與討論

研究結(jié)果表明，6FDA 的添加顯著提升了 p-MPSCs 的效率和穩(wěn)定性：

提高器件效率: 添加 6FDA 后，鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量得到改善，薄膜的均勻性和結(jié)晶度提高，從而提高了器件的效率。小面積器件 (0.1 cm2) 的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達(dá)到 20.15%。

增強(qiáng)器件穩(wěn)定性: 6FDA 的疏水性可以有效地阻止水分和氧氣的入侵，提高了器件的工作穩(wěn)定性。未封裝的器件在室溫下存放超過(guò) 1000 小時(shí)后，其 PCE 仍能保持 80% 以上。

研究人員利用穩(wěn)態(tài) PL 和時(shí)間分辨 PL 證實(shí)了 6FDA 對(duì)鈣鈦礦薄膜的鈍化作用，并通過(guò)測(cè)試器件的載流子壽命 (TRPL) 和光電壓衰減 (TPV) 說(shuō)明了 6FDA 對(duì)載流子復(fù)合和器件穩(wěn)定性的積極影響。TPC 測(cè)試結(jié)果表明，6FDA 的添加可以有效地縮短載流子的傳輸時(shí)間，提高了器件的載流子傳輸效率。TPV 測(cè)試結(jié)果顯示，添加 6FDA 后，器件的光電壓衰減時(shí)間延長(zhǎng)，說(shuō)明了 6FDA 可以有效抑制載流子的復(fù)合，從而提高器件的穩(wěn)定性。

結(jié)論與展望

該研究開(kāi)發(fā)了一種多功能氟化分子作為添加劑，有效改善了 p-MPSCs 中鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程，并顯著提升了器件的效率和穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究為制備高效穩(wěn)定的 p-MPSCs 提供了新的策略，并為 PSCs 的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

未來(lái)，可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化添加劑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及結(jié)合其他界面工程策略，進(jìn)一步提升 p-MPSCs 的性能，推動(dòng)其在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用。


本文參數(shù)圖:

Fig. 5_ 展示了 (a) 穩(wěn)態(tài) PL 和 (b) 時(shí)間分辨 PL，以及 (c) 器件的瞬態(tài)光電壓衰減曲線，分別針對(duì)添加和未添加 6FDA 的 mp-TiO2/玻璃結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦。其重要性: 通過(guò) PL 光譜和光電壓衰減，評(píng)估了 6FDA 對(duì)鈣鈦礦薄膜光致發(fā)光特性和載流子壽命的影響，并說(shuō)明了 6FDA 對(duì)缺陷鈍化的效果。

Fig.S6_展示了添加和未添加 6FDA 的器件的 J-V 曲線（正向掃描）。

重要性: 比較了添加 6FDA 后器件的光伏性能，以及器件的效率提升。

原文出處: ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 

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