Sargent团队Science: 反式钙钛矿太阳能电池钝化新策略

【导读】

反式（p-i-n）钙钛矿太阳能电池因其可低温加工性极大地降低了制备成本。此外，反式钙钛矿太阳能电池具有更加优秀的稳定性，因此是实现钙钛矿太阳能电池商业应用的一条有潜力的策略。然而反式钙钛矿太阳能电池较低的效率一直是制约反式钙钛矿太阳能电池的商业化的瓶颈。如何提升反式钙钛矿太阳能电池的效率是目前研究的热点。

【成果掠影】

近日，加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent教授团队在Science上发表了新的研究论文，提出了两种功能分子配合实现对界面缺陷钝化的方法，有效降低了载流子在界面处的损失，并将少数载流子反射到本体中，从而大幅提升了反式钙钛矿太阳能电池的效率。在本文中，作者首先指明了在反式钙钛矿太阳能电池中钙钛矿表面和与C₆₀界面处的载流子的非辐射损失是限制反式钙钛矿太阳能电池效率的瓶颈，并指出常用的单一钝化分子难以同时降低表面和界面处的载流子非辐射损失。为解决这一问题，作者提出选用两种不同的钝化分子，分别起到排斥空穴（场效应钝化）和降低钙钛矿表面缺陷密度（化学钝化）的作用。通过计算，作者筛选出了二胺配体和经硫修饰的甲硫基分子作为钝化分子。引入二胺配体，利用其对少数载流子的排斥作用所建立的的场效应钝化效应降低接触引发的界面复合。同时，硫修饰的甲硫基分子的加入可以有效钝化界面缺陷。利用该分子的强配位和氢键有效抑制了载流子的非辐射弛豫。使用这种双分子钝化策略，作者成功将载流子寿命延长了至少五倍，并将发光量子效率损失降低30%。采用此钝化策略大幅提升了反式钙钛矿太阳能电池的效率，获得了25.1%的认证光电转换效率且在空气中65 ^oC下可以稳定工作至少2000小时。相关研究文章以“Bimolecularly passivated interface enables efficient and stable inverted perovskite solar cells”为题发表在Science上。

【核心创新点】

通过两种功能分子的界面钝化，抑制了界面处的载流子的非辐射复合从而显著提升了反式钙钛矿太阳能电池的光电转换效率 .

【数据概览】

图1 对钙钛矿/ETL（电子传输层）界面的钝化 ©2023 AAAS

图2 甲硫基对钙钛矿表面的钝化作用 ©2023 AAAS

图3  DMDP (diammonium-methylthio dual Passivation) 的工作原理 ©2023 AAAS

图4 器件表现和稳定性测试 ©2023 AAAS

【成果启示】

本项研究为进一步推动反式钙钛矿太阳能电池的商业应用提供了新的思路。该种策略也为提升钙钛矿器件如发光二极管、光电探测器的效率提供了有益的借鉴。

原文详情：Cheng Liu, Yi Yang, Hao Chen, Jian Xu, Ao Liu, Abdulaziz S. R. Bati, Huihui Zhu, Luke Grater, Shreyash Sudhakar Hadke, Chuying Huang, Vinod K. Sangwan, Tong Cai, Donghoon Shin, Lin X. Chen, Mark C. Hersam, Chad A. Mirkin, Bin Chen, Mercouri G. Kanatzidis, Edward H. Sargent, Bimolecularly passivated interface enables efficient and stable inverted perovskite solar cells, Science, 2023, 382, 810-815

DOI: 10.1126/science.adk1633

本文由NSCD供稿。