中國科學(xué)院化學(xué)研究所李永舫/孟磊團(tuán)隊在高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進(jìn)展
鈣鈦礦材料光電性能優(yōu)異，具有吸收系數(shù)高、光電特性可調(diào)、雙極性輸送能力優(yōu)異的特點，同時兼具材料用量少、組件價格低廉、投資成本低的優(yōu)點，這使鈣鈦礦光伏在應(yīng)用場景上更有潛力。鈣鈦礦太陽能電池（pero-SCs）作為一種前景廣闊的光伏技術(shù)受到了廣泛研究，其中載流子的提取和轉(zhuǎn)移對器件性能有著至關(guān)重要的影響。
在國家自然科學(xué)基金委和科技部重點研發(fā)計劃的支持下，中國科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點實驗室李永舫/孟磊團(tuán)隊近年來在鈣鈦礦太陽能電池的研究中不斷取得新的進(jìn)展。2021年，他們采用基于喹喔啉的D-A共聚物替代傳統(tǒng)Li鹽摻雜的Spiro-OMeTAD,根據(jù)喹喔啉單位側(cè)鏈的不同，探索側(cè)鏈工程對聚合物在鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸層應(yīng)用中的影響。以PBQ6作為無摻雜空穴傳輸層表現(xiàn)出22.6%的光電轉(zhuǎn)化效率（PCE），這也是當(dāng)時無摻雜D-A型共聚物作為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的最高PCE（Science China-Chemistry. 2021, 64, 11, 2035-2044）。除對電池的空穴傳輸層進(jìn)行的探索外，他們還對n-i-p型平面結(jié)構(gòu)pero-SCs中SnO2分散納米顆粒制備電子傳輸層進(jìn)行了一系列探索。將聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）引入SnO2分散體作為聚合物骨架來阻礙團(tuán)聚,PEGDA 修飾的SnO2在n-i-p結(jié)構(gòu)pero-SCs中充當(dāng)電子傳輸層（ETL）。最終，基于α-FAPbI3的pero-SCs的PCE達(dá)到23.31%。（ACS Energy Lett. 2021, 6, 11，3824-3830）。但是在SnO2的制備過程中，氧空位(OVs)的產(chǎn)生是實現(xiàn)SnO2自摻雜的關(guān)鍵，使其成為n型半導(dǎo)體并提供充足的自由載流子。研究者一直在努力通過提高OVs密度來改善器件性能，然而，過量的表面OVs可能會導(dǎo)致鈣鈦礦埋底界面的不利晶格畸變，并進(jìn)一步加速塊狀鈣鈦礦的相變和分解。
最近，他們提出了一種局部氧化修飾（LOE）策略，通過在納米SnO2電子傳輸層中添加氧化劑來有效控制和維持SnO2的適當(dāng)氧化狀態(tài)，從而實現(xiàn)精細(xì)調(diào)控的ETL。他們使用鉻酸銨（(NH4)2CrO4）作為氧化劑，補(bǔ)償多余的OVs，并產(chǎn)生p型半導(dǎo)體Cr2O3超薄層作為局部域的還原產(chǎn)物。形成的Cr2O3/SnO2納米p-n結(jié)（圖1）有利于電荷的提取，減少了鈣鈦礦活性層在埋底界面處的非輻射復(fù)合。此外，無機(jī)鹽的加入調(diào)節(jié)了SnO2納米晶體的排布，形成了Cr2O3晶域，改善了晶格匹配，從而實現(xiàn)了α-FAPbI3晶體的垂直外延生長。具有Cr2O3/SnO2 ETL的α-FAPbI3基鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了25.72%的PCE（認(rèn)證效率為 25.41%）。在連續(xù) 1 個太陽光照下，達(dá)到T90>700h的工作穩(wěn)定性。該研究工作提供了一種新穎的LOE策略，可用于對ETL和pero-SCs的光伏性能進(jìn)行進(jìn)一步的實驗和理論研究。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63,e202318621上（網(wǎng)站鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202318621），文章第一作者為博士生劉敏超，通訊作者為孟磊研究員和李永舫研究員。
Cr2O3/SnO2薄膜的電導(dǎo)率、電子傳輸示意圖、能級圖以及平均靜電勢等
有機(jī)固體院重點實驗室
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