1.68和1.80 eV 寬帶隙鈣鈦礦組合物器件也分別顯示出令人鼓舞的22.7%和20.1%的PCE。此外，1.53 eV使用NiOx/MeO-4PADBC HSL的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在65℃下能夠循環(huán)1200小時(shí)，并保持90%的初始效率，和阿倫尼烏斯能量外推表明，太陽(yáng)能電池在25°C能夠保持80%的初始效率超過(guò)10個(gè)月。
相關(guān)研究成果以“Stabilized hole-selective layer for high-performance inverted p-i-n perovskite solar cells”為題發(fā)表在Science上。
研究背景具有咔唑的膦酸自組裝單層膜（SAMs）使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）的性能得以提高，適用于單結(jié)和鈣鈦礦基串聯(lián)太陽(yáng)能電池，其具有高空穴選擇性、快速空穴轉(zhuǎn)移速率和低界面陷阱態(tài)密度。然而，與傳統(tǒng)的聚合物和金屬氧化物空穴傳輸材料相比，SAM基PSC表現(xiàn)出較差的熱穩(wěn)定性。在最大功率點(diǎn)（MPP）運(yùn)行或開(kāi)路電壓（VOC）、高溫（65°至85°C）下的運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)于提高其穩(wěn)定性和滿足國(guó)際穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。雖然大多數(shù)關(guān)于SAM基PSC的研究都報(bào)道了室溫下的操作穩(wěn)定性或通過(guò)穩(wěn)定鈣鈦礦表面和體積增強(qiáng)了器件在熱應(yīng)力下的耐久性，但SAM形成分子在高溫（>65°C）下的降解效應(yīng)很少被討論。SAM形成分子的熱穩(wěn)定性在很大程度上取決于它們與所選基底的結(jié)合，其錨定基團(tuán)和分子間隔物之間的鍵可以通過(guò)溫度誘導(dǎo)的解吸斷開(kāi)。內(nèi)容詳解SAM設(shè)計(jì)和合成調(diào)節(jié)末端官能團(tuán)是調(diào)節(jié)SAM和鈣鈦礦之間界面相互作用的有效方法。例如，將兩個(gè)甲氧基（OMe）引入2PACz中，改善了界面接觸并使p-i-n PSC的效率更高。盡管如此，咔唑上的OMe取代也導(dǎo)致偶極矩從2PACz的~0.2D降低到MeO-0PACz的~2.2D，這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致SAM分子的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）與鈣鈦礦的價(jià)帶最大值（VBM）之間的偏移。這種現(xiàn)象可歸因于咔唑結(jié)構(gòu)的高平面度和對(duì)稱(chēng)性，摻入兩個(gè)偶極矩方向相反的OMe基團(tuán)使得MeO-2PACz的偶極矩接近于零（圖?1A）。作者通過(guò)使用非共面螺旋形二苯并[c，g]咔唑（DBC）單元作為核心來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，以減少引入OMe基團(tuán)時(shí)對(duì)偶極矩的負(fù)面影響，從而提供了MeO-4PADBC的新SAM（圖1B）。同時(shí)，密度泛函理論（DFT）計(jì)算驗(yàn)證了MeO-4PADBC與（2-（4H-二苯并[c，g]咔唑-4-基）丁基）膦酸（7PADBC）（7.4D）相比，偶極矩（2.9D）略有降低，與咔唑基SAM相比具有較大差異。圖1. HSLs的分子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)空穴選擇層應(yīng)用作者比較了MeO-4PADBC SAM和NiOx/MeO-4PADBC作為p-i-n PSC的HSL（圖1C）。然后通過(guò)傅里葉變換紅外（FTIR）光譜表明化學(xué)鍵的形成。然而，沉積在ITO/NiOx/MeO-4PADBC襯底上的鈣鈦礦比沉積在對(duì)照襯底上具有更大的晶體域，這是因?yàn)镾AM分子通過(guò)更強(qiáng)大的三齒酸結(jié)合吸收，將更密集的錨定在ITO/NiOx底物上，這不僅可以降低ITO/NiOx底物的表面粗糙度，但也導(dǎo)致了一個(gè)更疏水的表面和鈣鈦礦與SAM分子之間的相互作用更強(qiáng)。這些協(xié)同作用有助于促進(jìn)鈣鈦礦晶體的成核和生長(zhǎng)，從而促進(jìn)鈣鈦礦的結(jié)晶。圖2. 在不同的HSLs條件下，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光伏性能圖3. 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的降解機(jī)理分析圖4. 不同溫度下鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)綜上所述，本文展示了一種高效且穩(wěn)定的HSL，其熱穩(wěn)定性大大提高，適用于高效含SAM的倒置p-i-n PSC。MeO-4PADBC的合理分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和深入分析表明，最佳偶極矩和與鈣鈦礦的良好接觸是理想能量排列和快速空穴提取提高器件效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。此外，將MeO-4PADBC SAM分子錨定在NiOx膜上，可以與NiOx形成更強(qiáng)的三齒鍵，有效降低電壓損失，并在熱應(yīng)力下保持較強(qiáng)的固定效果。本文的研究為高效穩(wěn)定的HSL設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，并為輕松獲得商業(yè)化倒置p-i-n PSC鋪平了道路。Zhen Li?, Xianglang Sun?, Xiaopeng Zheng?, Bo Li?, Danpeng Gao, Shoufeng Zhang, Xin Wu,Shuai Li, Jianqiu Gong, Joseph M. Luther, Zhong’an Li*, Zonglong Zhu*, Stabilizedhole-selective layer for high-performance inverted p-i-n perovskite solar cells, Science, 2023,https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9637【做計(jì)算 找華算】華算科技專(zhuān)注DFT代算服務(wù)、正版商業(yè)軟件版權(quán)、全職海歸計(jì)算團(tuán)隊(duì)，10000+成功案例！Nature Catalysis、JACS、Angew.、AM、AEM、AFM等狂發(fā)頂刊，好評(píng)如潮！計(jì)算內(nèi)容涉及材料結(jié)構(gòu)、電位、容量、電導(dǎo)率、離子擴(kuò)散，過(guò)渡態(tài)+AIMD、吸附、HOMO/LUMO、離子溶劑化配位結(jié)構(gòu)、固態(tài)電解質(zhì)鋰離子通道、催化活性能、反應(yīng)路徑計(jì)算、OER、HER、ORR、自由能等。添加下方微信好友，立即咨詢：
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