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導言
鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高效率和低成本而備受關注，但其長期穩(wěn)定性一直是制約商業(yè)化的主要瓶頸。特別是在高效率器件中，鈣鈦礦與基底的界面往往是結構最脆弱的部分，容易在高溫和光照射下發(fā)生退化。近期，華東理工大學的科研團隊在《Advanced Materials》期刊上發(fā)表了一項創(chuàng)新性研究成果，提出了一種通過多點和雙面錨定策略增強鈣鈦礦-基底界面穩(wěn)定性的方法。該研究開發(fā)了一種新型聚合物空穴傳輸層（HTIL）PTPY，通過在ITO基底和鈣鈦礦層之間形成強健的化學鍵合，顯著提升了器件的機械強度和電子質量。實驗結果顯示，基于PTPY的PSCs不僅實現(xiàn)了高達26.8%的光電轉換效率（PCE），而且在85°C的條件下經(jīng)過1500小時的最大功率點（MPP）跟蹤測試后，仍能保持初始效率的98%。這一成果為鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性和效率提升提供了重要的理論和實驗依據(jù)。
分享一篇來自華東理工大學吳永真團隊的新研究成果，本文以“Reinforced Perovskite-Substrate Interfaces via Multi-Sited and Dual-Sided Anchoring"為題發(fā)表于期刊Advanced Materials。希望對您的科學研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。
正文
界面粘附增強
研究團隊通過對比傳統(tǒng)的聚合物HTIL PTAA和新型PTPY，發(fā)現(xiàn)PTPY中的吡啶基團能夠與ITO基底和鈣鈦礦表面形成強健的化學鍵合。通過密度泛函理論（DFT）計算，PyTPA（PTPY的活性單元）與ITO的結合能為-1.37 eV，遠高于PTAA的-0.34 eV；與鈣鈦礦表面的結合能為-1.01 eV，同樣遠高于PTAA的-0.24 eV。實驗中，通過剝離測試發(fā)現(xiàn)，基于PTAA的鈣鈦礦薄膜可以輕易地從ITO基底上剝離，而PTPY則能顯著增強鈣鈦礦與ITO基底之間的粘附力。雙懸臂梁（DCB）測試進一步證實了PTPY基樣品的接口斷裂能量（GC）顯著高于PTAA基樣品（平均GC從0.57 J/m2提升至2.41 J/m2），表明PTPY顯著增強了界面的機械完整性。
界面鈍化增強
PTPY不僅增強了機械粘附，還通過其吡啶基團有效鈍化了鈣鈦礦表面的缺陷。實驗結果顯示，基于PTPY的鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光（PL）強度遠高于PTAA，其光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）分別為13.3%和2.1%。時間分辨光致發(fā)光（TRPL）測試表明，PTPY鈍化的鈣鈦礦具有更長的 Shockley-Read-Hall 壽命（1.76 μs對比PTAA的0.92 μs）。此外，PTPY鈍化的鈣鈦礦薄膜實現(xiàn)了更高的準費米能級分裂（QFLS）值（1.22 eV對比PTAA的1.15 eV），表明PTPY顯著提升了鈣鈦礦薄膜的電子質量。
圖1 a）和（b）在PTAA和PTPY上沉積的鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）光譜和時間分辨光致發(fā)光（TRPL）衰減特性。（c）在PTAA和PTPY上沉積的鈣鈦礦薄膜的準費米能級分裂（QFLS）值。（d）鈣鈦礦在與TPA或PyTPA接觸前后不同缺陷（碘空位：VI，鉛碘反位缺陷：PbI，以及間隙鉛：Pbi）的表面能。注意，F(xiàn)AI和PbI分別表示FAI終止的（001）面和PbI終止的（001）面。（e）分子與各種缺陷之間的結合能（Eb）。（f）有缺陷和經(jīng)TPA與PyTPA鈍化后的表面的投影態(tài)密度。價帶頂?shù)哪芗壴O定為零。（g）TPA和PyTPA組裝在帶有Pbi缺陷的PbI終止鈣鈦礦表面的理論模型。藍色區(qū)域表示電子耗盡，黃色區(qū)域表示電子積累。（h）分子與Pbi缺陷的PbI終止鈣鈦礦表面之間的計算電荷密度差?；疑珟П硎痉肿优c鈣鈦礦表面之間的界面。
光伏性能
基于PTPY的PSCs在性能上也表現(xiàn)出色。在反向掃描中，PTPY基器件實現(xiàn)了26.8%的PCE，而PTAA基器件僅為23.6%。PTPY基冠*器件展現(xiàn)出1.19 V的開路電壓（VOC）、26.3 mA cm-2的短路電流密度（JSC）和86.1%的填充因子（FF）。外部量子效率（EQE）光譜顯示，PTPY基器件的集成電流密度與J-V測量結果高度一致。此外，PTPY還展現(xiàn)出良好的可擴展性，在1 cm2的大面積器件中實現(xiàn)了24.9%的高效率。
圖2 光伏性能。（a）以PTAA和PTPY為HTILs的20個小面積器件的VOC、FF、JSC和PCE的統(tǒng)計分布。（b）基于PTPY的1.53 eV帶隙的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的冠*器件的J–V曲線。器件的工作面積為0.08平方厘米。（c）基于PTPY的器件的外量子效率（EQE）光譜。（d）以PTAA和PTPY為HTILs的大面積器件的PCE值統(tǒng)計。20個PSC器件效率的直方圖。（e）基于PTPY的冠*PSC的工作面積為1.00平方厘米的J–V曲線。
材料和器件穩(wěn)定性
PTPY展現(xiàn)出優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性。在85°C的條件下連續(xù)加熱48小時后，PTPY的吸收光譜幾乎無變化，而傳統(tǒng)的Me-4PACz則發(fā)生了顯著變化。熱重分析（TGA）顯示，PTPY的熱分解溫度超過450°C，遠高于Me-4PACz的290°C。在85°C的氮氣氛圍中，未封裝的PTPY基器件在持續(xù)加熱1900小時后仍能保持初始PCE的97%，而PTAA基器件僅保持71%。在85°C的MPP跟蹤測試中，PTPY基器件在1500小時后仍能保持初始PCE的98%，而PTAA基器件則下降了35%。在-40到85°C的熱循環(huán)測試中，PTPY基器件在900個循環(huán)后仍能保持初始效率的93%，而PTAA基器件僅保持56%。
圖3 器件穩(wěn)定性。（a）在氮氣氛圍下（ISOS-D-2l程序）以85°C恒溫加熱的未封裝PTAA和PTPY基器件的熱穩(wěn)定性。（b）從PTAA和PTPY基器件中獲得的鈣鈦礦底層表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，分別在85°C加熱約1900小時前后（標尺，1微米）。（c）在85°C下持續(xù)一陽光光照（ISOS-L-2程序）的封裝PTAA和PTPY基器件的持續(xù)最大功率點（MPP）跟蹤。（d）在85°C下進行MPP跟蹤1500小時前后，基于PTAA和PTPY的器件的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（標尺，500納米）。（e）封裝的PTAA和PTPY基器件的熱循環(huán)耐久性（-40至85°C）（ISOS-T-3程序）。
穩(wěn)定性增強機理
通過從頭算分子動力學（AIMD）模擬，研究團隊發(fā)現(xiàn)，在300K和400K的溫度下，PyTPA分子傾向于緊密錨定在ITO和鈣鈦礦表面，而TPA分子則容易在高溫下從界面脫離。經(jīng)典分子動力學（CMD）模擬進一步證實了PTPY在300至400K的溫度范圍內能保持穩(wěn)定的界面相互作用，而PTAA則表現(xiàn)出界面分離增大的趨勢。這些模擬結果為實驗觀察到的PTPY介導的界面熱穩(wěn)定性提升提供了理論支持。
本文中使用的光電測試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR600光電探測器光譜響應度標定系統(tǒng)。DSR600光電探測器光譜響應度標定系統(tǒng)結合了北京卓立漢光儀器有限公司給多家科研單位定制的光譜響應系統(tǒng)的特點和經(jīng)驗，采用國家標準計量方法進行全自動測試，是光電器件、光電轉換材料的光譜響應性能研究的*備工具。
結論
本研究通過在常用的聚合物HTIL PTAA中引入吡啶基團，開發(fā)出一種新型雙面錨定聚合物HTIL PTPY。PTPY通過與ITO基底和鈣鈦礦層形成多維相互作用，顯著增強了界面的機械穩(wěn)定性和電子連接性?；赑TPY的PSCs不僅實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的26.8%的PCE，還在嚴苛的操作條件下展現(xiàn)出卓*的穩(wěn)定性。這項研究為鈣鈦礦太陽能電池的界面工程提供了新的視角，有望推動其在實際應用中的進一步發(fā)展。
通訊作者及其團隊介紹
吳永真，華東理工大學教授，研究方向為有機光電材料與器件、分子工程等。其領導的團隊在鈣鈦礦太陽能電池領域取得了多項重要成果，為推動鈣鈦礦太陽能電池的性能提升和穩(wěn)定性增強做出了重要貢獻。
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本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR600光電探測器光譜響應度標定系統(tǒng)。如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢。
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