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應(yīng)用分享 | 高效且熱穩(wěn)定的反式鈣鈦礦太陽能電池

更新時間:2025-05-07點擊次數(shù):80

應(yīng)用分享 | 高效且熱穩(wěn)定的反式鈣鈦礦太陽能電池

PHI 丁志琴

隨著全球可再生能源需求的迅速增長,太陽能光伏技術(shù)已成為應(yīng)對能源危機與環(huán)境污染的關(guān)鍵解決方案。其中,鈣鈦礦太陽能電池因其具有高光電轉(zhuǎn)換效率、低材料成本及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢,在太陽能光伏領(lǐng)域備受矚目。反式鈣鈦礦太陽能電池,相較于傳統(tǒng)的正式結(jié)構(gòu),加工工藝簡單、易于實現(xiàn)相對低溫制備、且耐候性更佳,因此受到學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)化的普遍關(guān)注。近年來,通過界面工程等策略優(yōu)化,反式鈣鈦礦太陽能電池的效率已突破26%。近年來,自組裝單分子層(Self-Assembled Monolayer, SAM)作為一種空穴傳輸層材料,因其低成本、低光學(xué)與電學(xué)損耗、能級易于調(diào)控以及表面性質(zhì)可調(diào)等優(yōu)勢,在反式鈣鈦礦太陽能電池中得到了普遍應(yīng)用。然而,現(xiàn)有界面SAM層主要通過化學(xué)方式吸附在透明導(dǎo)電層(TCO)表面,當(dāng)器件暴露于高溫或經(jīng)歷熱循環(huán)沖擊時,分子層可能發(fā)生脫附或聚集,導(dǎo)致界面接觸惡化及載流子(空穴)傳輸受阻,結(jié)果明顯削弱器件的性能和穩(wěn)定性。因而,開發(fā)更為穩(wěn)定和高效的空穴選擇性接觸新材料體系對于進(jìn)一步提升器件的熱穩(wěn)定性,推動其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。

為解決上述問題,西安交通大學(xué)金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授團(tuán)隊的劉宇航教授等,設(shè)計了一種通過共價鍵連接的自組裝雙分子層結(jié)構(gòu)(Self-Assembled Bilayer, SAB)。該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)小分子SAM層材料體系的基礎(chǔ)上,通過傅-克烷基化反應(yīng) (Friedel–Crafts alkylation) 構(gòu)建了共價鍵連接的聚合物網(wǎng)絡(luò)體系。這種共價連接能夠有效“錨定"吸附在透明導(dǎo)電基底上的小分子SAM層,明顯提升其耐高溫和抗熱沖擊的穩(wěn)定性。同時,上層分子定向排列表現(xiàn)出與鈣鈦礦材料優(yōu)異的黏附特性,從而增強了鈣鈦礦/空穴傳輸層界面的機械強度?;谶@一策略,研究團(tuán)隊成功實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率超過26%的器件性能。在2000小時的濕熱穩(wěn)定性測試(85℃和85%相對濕度),基于自組裝雙分子層的品牌器件效率只衰減了原始效率的4%;此外,在1200次-40℃至85℃的熱循環(huán)穩(wěn)定性測試中,其效率相比原始值只衰減了3%。該研究成果以“Self-assembled bilayer for perovskite solar cells with improved tolerance against thermal stresses"(耐熱應(yīng)力穩(wěn)定的自組裝雙分子層鈣鈦礦太陽能電池)為題,發(fā)表在國際能源領(lǐng)域有名的期刊《Nature Energy》(《自然能源》)上。

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圖1 a,自組裝雙分子層的結(jié)構(gòu)示意圖;b,基于自組裝雙分子層的器件照片。

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圖2. 傅-克烷基化反應(yīng)過程。

TOF-SIMS表征的關(guān)鍵作用

通過傅-克烷基化反應(yīng)形成共價鍵連接的自組裝雙分子層結(jié)構(gòu)(SAB)是本文中提高器件耐高溫以及熱沖擊的穩(wěn)定性的重要創(chuàng)新點,如何科學(xué)表征ITO表面小分子SAM層形成SAB的反應(yīng)機制是關(guān)鍵,同時也面臨著很多挑戰(zhàn)。在此背景下,愛發(fā)科費恩斯(南京)儀器有限公司的鞠煥鑫博士和丁志琴工程師與劉宇航教授展開合作,利用飛行時間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)這一強大的表面分析技術(shù),為揭示SAB的形成機制提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

TOF-SIMS技術(shù)優(yōu)勢

1. 超高表面靈敏:TOF-SIMS作為一種典型的靜態(tài)二次離子質(zhì)譜技術(shù),表面靈敏度可達(dá)1nm,特別適用于極薄自組裝單層/雙層的表征;

2. 分子結(jié)構(gòu)檢測能力:TOF-SIMS可選擇Bi??團(tuán)簇離子源作為初級離子束轟擊有機分子,有利于激發(fā)大質(zhì)量數(shù)的分子離子碎片,從而解析分子結(jié)構(gòu);

3. 高質(zhì)量分辨:TOF-SIMS具有高質(zhì)量分析本領(lǐng)(m/Δm > 16,000),能夠通過精確的質(zhì)荷比(m/z)分析,區(qū)分共價鍵產(chǎn)物與未反應(yīng)單體。

TOF-SIMS實驗結(jié)果

通過PHI nanoTOF3+設(shè)備對2PACz(只含單層自組裝分子SAM)和2PACz-TATPA(通過傅-克烷基化反應(yīng)形成的雙分子層SAB)兩類樣品進(jìn)行了TOF-SIMS測試,質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析如下:

1. 2PACz單分子層:

TOF-SIMS質(zhì)譜中未檢測到m/z > 700的分子碎片(圖3b),表明未發(fā)生大分子耦合反應(yīng),只存在單個2PACz分子的特征峰。

2. 2PACz-TATPA雙分子層:

TOF-SIMS質(zhì)譜中觀察到多個m/z > 700的峰(如m/z 862.4和804.3),這些峰超出了2PACz或TATPA單體分子量范圍(圖3c)。結(jié)合反應(yīng)機理,這些峰被歸因于亞甲基橋連接的傅-克烷基化產(chǎn)物,即2PACz與TATPA通過共價鍵形成聚合物網(wǎng)絡(luò)。

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圖3.(A)TOF-SIMS表征示意圖,(B)2PACz SAM的TOF-SIMS質(zhì)譜圖,(C)2PACz-TATPA的TOF-SIMS質(zhì)譜圖。

TOF-SIMS在研究中作為關(guān)鍵表征手段,通過高表面靈敏和大分子量碎片檢測能力,直接驗證了SAB中的共價鍵聚合物網(wǎng)絡(luò)的形成。這一數(shù)據(jù)不只支持了SAB結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性和機械強度提升機制,還為后續(xù)器件性能優(yōu)化(如效率>26%和耐濕熱/熱循環(huán)穩(wěn)定性)奠定了化學(xué)基礎(chǔ)。TOF-SIMS作為一種強大的表面分析技術(shù),在鈣鈦礦太陽能電池的研究中展現(xiàn)了其優(yōu)勢和重要性,為未來進(jìn)一步優(yōu)化器件性能和推動其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了重要的技術(shù)手段。

新聞鏈接:https://mse.xjtu.edu.cn/info/1016/8639.htm

論文鏈接:https://www.nature。。com/articles/s41560-024-01689-2

轉(zhuǎn)載于《PHI表面分析 UPN》公眾號



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