日本国立电气通信大学早濑修二&沈青&考纳斯理工大学Saulius Grigalevicius. ACS AMI: 从PTAA能带弯曲的角度看单分子层表面钝化PTAA宽带铅钙钛矿太阳能电池的效率提升

【引言】

自 Miyasaka 首次报道以来，钙钛矿太阳能电池（PSC）已取得了巨大进展。截至目前，单结PSCs已获得26.1%的创纪录的PCE认证。然而，叠层钙钛矿太阳能电池被认为是可以进一步突破钙钛矿电池效率的器件结构之一。一般而言，叠层PSCs通常是由具有窄带隙的光活性层和宽带隙的光活性层组成。目前很多工作已经被报道以提高窄带隙钙钛矿太阳能电池的效率，然而，宽带隙PSC（WBG-PSC）由于叠层太阳能电池的重要性也应该被考虑。众所周知，由于宽的带隙和较差的钙钛矿薄膜，WBG PSC始终无法获得高PCE 质量。 因此，迫切需要提高WBG PSC的PCE和稳定性。

【研究进展】

近日，日本国立电气通信大学的研究人员（毕欢：ORCID: 0000-0001-7680-9816；Shuzi Hayase 教授和沈青教授：ORCID: 0000-0001-8359-3275）联合考纳斯理工大学的研究人员 （Saulius Grigalevicius教授）在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了一篇题目为 “Efficiency Enhancement of Wide Bandgap Lead Perovskite Solar Cells with PTAA Surface-Passivated with Monomolecular Layer from the Viewpoint of PTAA Band Bending” 的研究文章，该工作合成了一系列具有不同官能团的自组装单分子用于修饰PTAA界面，从而在改善PTAA界面疏水性的同时，也改变了界面处的能带弯曲，其结果不仅使得钙钛矿薄膜质量提高，同时有利的能带弯曲也使得器件中的载流子传输更加通畅，除此之外，由于多官能团的存在，使得界面处的薄膜缺陷减少，从而减少了非辐射复合，从而将V_OC从1.127 V提升到1.177 V。并且在最优条件下，研究人员实现了16.52%的PCE。此外，SAMs改性后器件的稳定性也得到改善。该研究为合成新型SAMs用于提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性提供了指导，同时也为制备高效率叠层PSCs提供了一种选择。

【图文简介】

(a) PTAA/单分子层/WBG PVK层的制备示意图；

(b) PTAA/单分子层/WBG PVK 层之间的化学连接；

(c)不同SAMs上制备的钙钛矿薄膜的半峰宽统计。

(d) 采用SCLC方法评估了不同基底上钙钛矿薄膜的缺陷密度。

(a) (a-1)PTAA或PTAA/x-PACz的费米能级，(a-2)与WBG-PVK接触后的费米能级变化以及(a-3)PTAA或PTAA/x-PACz 与WBG-PVK 接触后的能带弯曲(ΔEF,1)

(b) (b-1) 仅 WBG-PVK 的费米能级，(b-2) 与 PTAA 或 PTAA/x-PACz 接触后的费米能级变化，以及 (b-3) WBG-PVK 与 PTAA或 PTAA/x-PACz 接触后的能带弯曲(ΔEF,2)。

 圆圈代表 x-PACz 单层分子。

(a) 器件（基于 I-3PACz 的 PSC、基于 9p-3PACz 的 PSC、基于 2M3P-3PACz 的 PSC 和基于 PTTA 的 PSC）的 PCE 统计分布图。

 (b) 冠军器件的 J-V 曲线。

 (c) 器件的IPCE曲线。

 (d) 最大功率点处的稳态电流密度随时间的变化。

(a) 基于 PTAA 和基于 9p-3PACz 的 PSC 的理想因子评估。

 (b) 瞬态光电压（TPV）曲线测试。

 (c) 基于 PTAA 的 PSC 和基于 9p-3PACz 的 PSC 的瞬态光电流曲线。

 (d) 基于 PTAA 的 PSC 和基于 9p-3PACz 的 PSC 的载流子扩散长度评估。

未封装的 PSC 在 (a) N2、(b)热 (85 °C) 和 (c) 1 个太阳光照下的长期稳定性测试。

【文献链接】

Bi, H.; Liu, J.; Beresneviciute, R.; Tavgeniene, D.; Zhang, Z.; Wang, L.; Kapil, G.; Ding, C.; Sahamir, S. R.; Sanehira, Y.; et al. Efficiency Enhancement of Wide Bandgap Lead Perovskite Solar Cells with PTAA Surface-Passivated with Monomolecular Layer from the Viewpoint of PTAA Band Bending. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023. DOI: 10.1021/acsami.3c08655.

Web: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c08655