青島能源所包西昌AFM：SAMs助力高性能鈣鈦礦太陽能電池

主要內(nèi)容

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）憑借其獨(dú)特的光電特性以及低廉的生產(chǎn)成本，在光伏領(lǐng)域成為備受矚目的研究焦點(diǎn)。近期，中科院青島生物能源與過程研究所包西昌研究員、泰山學(xué)院Yawei Miao和青島理工大學(xué)谷傳濤副教授強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域開展了深入且富有成效的探索，取得了一系列具有重要價(jià)值的關(guān)鍵進(jìn)展。

其中，自組裝單分子層（SAMs）作為新型界面修飾材料，在p - i - n結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池中作為空穴傳輸層時(shí)，展現(xiàn)出了極為優(yōu)異的性能。得益于SAMs技術(shù)的飛速發(fā)展，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已成功突破27%這一關(guān)鍵瓶頸。

然而，SAM材料的發(fā)展并非坦途，目前正面臨著諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如分子聚集、潤濕性差以及長期穩(wěn)定性不足等問題。因此，對SAM進(jìn)行全面、深入且系統(tǒng)的綜述與分析，對于開發(fā)新型、高性能的SAM材料而言具有至關(guān)重要的意義。包西昌研究員團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)回顧了近年來SAMs的研究進(jìn)展，深入剖析了其在鈣鈦礦太陽能電池中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能作用，并對新型SAMs的設(shè)計(jì)理念及其商業(yè)化前景進(jìn)行了前瞻性的展望。相信本綜述將為科研人員開發(fā)出功能性更強(qiáng)、更具創(chuàng)新性的SAM材料提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和有力的實(shí)踐指引，進(jìn)而加速推動鈣鈦礦太陽能電池從實(shí)驗(yàn)室研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用。

在分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)研究人員創(chuàng)新性地采用了表面修飾策略，引入不同的自組裝單分子層（SAM）材料作為界面修飾劑，對電子傳輸層（ETLs）進(jìn)行了系統(tǒng)且精細(xì)的優(yōu)化。他們成功開發(fā)了雙極性分子HOOC(CH?)? - PP - CH? - NH?Cl（當(dāng)n = 0時(shí)記為A，n = 1時(shí)記為B）。通過剛性聯(lián)苯（PP）主鏈與柔性亞甲基鏈的協(xié)同作用，巧妙地實(shí)現(xiàn)了氧化鋅（ZnO）表面與鈣鈦礦層之間的良好結(jié)構(gòu)相容性。其中，─NH??通過靜電相互作用，精準(zhǔn)地引導(dǎo)鈣鈦礦定向生長；而─COOH基團(tuán)則通過雙齒配位模式，有效地鈍化ZnO中的氧空位，使得器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）從3.9%大幅提升至8.8%。

隨后，該團(tuán)隊(duì)采用L - 組氨酸（L - His）對二氧化錫（SnO?）電子傳輸層進(jìn)行修飾。其─COOH基團(tuán)與SnO?中的Sn??發(fā)生相互作用，顯著降低了氧空位濃度；而─NH??基團(tuán)則通過氫鍵作用，增強(qiáng)了與鈣鈦礦層的界面結(jié)合強(qiáng)度。這種對電荷提取過程的協(xié)同優(yōu)化，使器件PCE達(dá)到21.04%。值得一提的是，該研究首次將生物相容性分子引入電子傳輸層界面工程，為鈣鈦礦太陽能電池的綠色制造工藝開辟了一條全新的途徑。

為進(jìn)一步攻克ZnO的化學(xué)不相容性難題，該團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了噻吩乙酸衍生物2 - TA和3 - TA作為自組裝單分子層修飾劑。羧酸基團(tuán)牢固地錨定在ZnO表面，而噻吩環(huán)中的硫原子憑借其路易斯堿性，有效地鈍化鈣鈦礦中的Pb2?。此外，4.09 D的分子偶極矩顯著降低了ZnO的功函數(shù)（WF），優(yōu)化了界面能級對齊。經(jīng)2 - TA修飾的器件PCE高達(dá)20.6%，且熱穩(wěn)定性顯著優(yōu)于對照組，這主要?dú)w因于硫 - 鉛配位作用對鈣鈦礦分解的有效抑制。不同電子傳輸型自組裝單分子層修飾的器件性能總結(jié)于表7。

目前，針對n型自組裝單分子層的研究仍明顯滯后于p型空穴傳輸型自組裝單分子層。界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足以及n型自組裝單分子層設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題，依舊是制約其實(shí)際應(yīng)用的主要瓶頸。未來，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為需進(jìn)一步探索具有更高穩(wěn)定性的分子設(shè)計(jì)方案，并深入闡明界面相互作用機(jī)制，從而推動基于自組裝單分子層的電子傳輸層在高性能、穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池中得到廣泛應(yīng)用，助力鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)新的突破與發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Self-Assembled Monolayers for High-Performance Perovskite Solar Cells

Shaoyun Jia, Chuantao Gu, Xue Zhou, Yawei Miao, Yong Tian, Shuguang Wen, Jiping Ma, Xichang Bao

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202512747

- 產(chǎn)品咨詢及購買請聯(lián)系我們 -