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南科大郭旭岗/城大Alex K.-Y. Jen、付强 AM: 埋底界面的靶向修饰助力高效(25.05%)和稳定的钙钛矿太阳能电池
2023-07-19  来源:高分子科技

  SnO2具有高透过率、高电子迁移率、适宜的能级、良好的紫外辐照稳定性和易于低温加工等特点,是目前n-i-p型钙钛矿太阳能电池常用的电子传输材料。然而,其体相和表面的缺陷(氧空位(VO)、悬空羟基(-OH)和不饱和配位金属原子)容易引起载流子积累和非辐射复合损失。此外,钙钛矿中金属、卤素和有机离子的配位不足也会引起界面化学反应,使得器件的效率和稳定性恶化。因此,对钙钛矿太阳能电池(PSCs)埋底界面的优化是实现其高效率和稳定性的关键。然而,由于埋底界面的非暴露特性,对其进行研究和优化具有一定的挑战性。


  鉴于此,近日,南方科技大学郭旭岗教授和香港城市大学Alex K.-Y. Jen教授和付强博士合作开发了一种简单有效的策略,通过在SnO2纳米颗粒中引入草酸甲脒(FOA)来同时抑制SnO2体相和表面缺陷以及钙钛矿埋底界面处FA+/Pb2+相关缺陷,实现有效的靶向缺陷钝化。甲脒离子和草酸根离子在SnO2层中均呈纵向梯度分布,主要聚集在SnO2/钙钛矿埋界面处,调节钙钛矿的晶体生长,降低体相及界面缺陷,改善钙钛矿和SnO2之间的能级匹配。此外,结果表明,FOA处理后的PSCs效率从22.40%提高到25.05%PSCs的存储稳定性和光稳定性也显著提升。该论文近期以Target Therapy for Buried Interface Enables Stable Perovskite Solar Cells with 25.05% Efficiency为题发表在Advanced Materials上,论文第一作者为冀晓霏博士博士生毕乐雨
 

1. (a) PSC纪录PCE 的最新进展。(b)具有创纪录PCE的器件结构和提高PSCPCE 界面工程。(c) FOA3D结构。(d) FOA策略的流程示意图。(e) SnO2SnO2-FOA和钙钛矿的能级排列。(f) FOA分布示意图及其对钙钛矿上层晶体生长的调节。(g) FOA在掩埋的SnO2/钙钛矿界面的钝化功能示意图。 


2. (a)SnO2SnO2-FOA胶体的粒径分布直方图。(b)SnO2(c) SnO2-FOA薄膜的SEM图像及其AFM 图像(插图)。(d) ITO/SnO2-FOA/钙钛矿的的ToF-SIMS深度剖面。(e) SnO2SnO2-FOA的电子传输特性由空间电荷限制电流(SCLC)确定。(f)器件中使用的组件的能级排列示意图。(g)原始 SnO2(h) SnO2-FOA薄膜的KPFM像。(i)KPFM中提取的原始SnO2SnO2-FOA薄膜的表面电位数据。 


3. 基于(a)原始SnO2(b)SnO2-FOA的钙钛矿薄膜的2D GIWAXS图案。(c)FA0.985Cs0.015PbI(100)平面的积分强度和归一化强度。(d)原始SnO2(e)SnO2-FOA上的钙钛矿薄膜的SEM图像。(f)沉积在原始SnO2SnO2-FOA上的钙钛矿薄膜的XRD图。(g)原始SnO(h) SnO2-FOA剥离的钙钛矿薄膜埋底界面的SEM图像。(i)SnO2SnO2-FOA上剥离的钙钛矿薄膜钙钛矿薄膜埋底界面的XRD图案。 


4. (a) SnO2SnO2-FOASn 3d XPS光谱。(b)SnO2(c)SnO2-FOAO 1sXPS光谱。(d)XPS谱显示从SnO2SnO2-FOA剥离的埋底钙钛矿薄膜的Pb 4f(e)SnO2(f)SnO2-FOA基板上剥离的埋底钙钛矿薄膜的O元素EDS(g)基于SnO2SnO2-FOA的纯电子器件在黑暗条件下的不同IV曲线。(h)参比器件和目标器件的暗J?V曲线。(i)1.0 V黑暗条件下阻抗谱  


5. (a) PSC截面SEM图像。(b)基于原始SnO2SnO2-FOAPSC的优化J?V曲线。(c) EQE(d)稳态功率输出。(e)效率统计(f)莫特-肖特基图。(g)存储在N2中未封装PSC稳定性(h)未封装PSC在连续照下存储在N2中的稳定性。


  原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303665


作者简介


  第一作者:冀晓霏博士,2020年博士毕业于南开大学化学学院(导师:刘永胜教授)。2020年10月-2022年11月在南方科技大学从事博士后研究(合作导师:郭旭岗教授)。2022年9月至今,在中国科学院上海高等研究院基础交叉中心鲁林峰团队担任助理研究员。研究方向主要集中在钙钛矿及钙/硅叠层太阳能电池的相关材料与器件,目前以第一作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、J. Mater. Chem. A等国际期刊发表学术论文8篇。


  通讯作者:付强博士,2016年本科毕业于兰州大学(导师:魏华教授);2021年博士毕业于南开大学化学学院(导师:刘永胜教授)。2021-2022年,留组从事博士后研究(导师:刘永胜和陈永胜教授)。2022年9月至今,在香港城市大学Alex Jen教授团队从事博士后研究。目前研究方向主要集中在太阳能转化包括:先进能源材料开发,钙钛矿太阳能电池和组件,近三年以第一或通讯(含共一)作者于J. Am. Chem. Soc.(2), Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.(4) 等国际期刊发表论文17篇, ESI高被引论文3篇。


  通讯作者:任广禹教授(Alex Jen),专注于跨学科研究,范畴涵盖光子学、能源、传感器及纳米医学等领域的功能材料和器件。任广禹教授是欧洲科学院外籍院士和华盛顿州立科学院院士、香港城市大学李兆基讲座教授(材料科学)、香港清洁能源研究院院长、化学系讲座教授及材料科学系讲座教授,在2016年至2020年间担任香港城市大学副校长。目前发表SCI研究论文1000余篇,并曾获邀作演讲650多次,著作获引用超过80000次,H-index为150。


  通讯作者:郭旭岗教授,主要研究领域为有机半导体材料与光电器件,在n-型高分子半导体材料与器件方向做出了国际领先水平的研究成果,发现了有机半导体的催化n-型分子掺杂技术。在Nature、Nature Mater.、Nature Photon.、Nature Energy、Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、Acc. Mater. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angewandte Chemie、PNAS、Advanced Materials等期刊发表论文210余篇,受Chem. Rev.、Nature Mater.、Nature Energy、Chem、高分子学报等期刊约稿撰写专论、展望及综述。论文被引用13000余次,H-index为57。

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