Nature Energy：剑桥大学突破钙钛矿太阳能电池的关键技术表征

​科学背景

钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能而备受关注，但界面和纳米尺度的不均匀性对其性能和稳定性有显著影响。研究者们开发了一种多模态原位显微镜工具包，用于测量和空间相关纳米尺度的电荷传输损失、复合损失和化学组成。

近日，剑桥大学Miguel Anaya & Samuel D. Stranks团队在 Nature Energy 期刊发表了题为“The impact of interfacial quality and nanoscale performance disorder on the stability of alloyed perovskite solar cells”的论文。作者开发了一种多模态原位显微镜工具包，用于测量和空间相关纳米尺度的电荷传输损失、复合损失和化学组成；应用电压依赖性光致发光(PL)显微镜，结合同步加速器X射线纳米探针荧光(nXRF)技术绘制钙钛矿吸收层的光电特性和化学成分。

图1 器件操作显微镜显示，DCDH 太阳能电池的性能甚至可以承受剧烈的空间光电和化学异质性  ©2024 Springer Nature

作者开发了一个多模态原位显微镜工具包，这个工具包用于测量钙钛矿太阳能电池在操作条件下的局部光谱分辨光致发光（PL）特性，并结合局部化学组成进行分析。该工具包旨在全面理解钙钛矿太阳能电池在操作条件下的纳米尺度性能和退化，包括电荷传输、复合损失以及化学组成。通过高光谱PL和光学JV曲线提取的局部设备性能参数，可以拟合PL光谱以提取准费米能级分裂（Δµ）和带隙（Eg）。通过比较Δµ值（平均约1.15 eV）与电测量的VOC（1.15 V），作者们确定钙钛矿与接触之间的能量损失可以忽略不计，表明界面处的能量对齐良好。

图2 DCDH 过氧化物太阳能电池在长时间工作后的微观 JV 曲线显示出性能的局部下降  ©2024 Springer Nature

作者们对未封装的钙钛矿太阳能电池进行长达100小时的操作应力测试，模拟实际使用中的条件。测试条件包括在65°C下持续1太阳光照和连续氮气流，以加速老化过程。作者们观察到从活性区域边缘开始的退化前沿，这与活性区域边缘的移动离子物种问题一致，这些问题可能导致了观察到的退化。钙钛矿太阳能电池的宏观JV特性中的滞后现象被归因于移动离子的存在，这些离子可以屏蔽电场。由于局部正向和反向光学JV扫描之间的差异很大，作者们将这种差异归因于移动离子浓度的空间变化。通过微观层面的研究，作者们揭示了钙钛矿太阳能电池在操作和退化过程中的复杂相互作用，并强调了界面优化和局部PCE紊乱对于实现高性能和稳定性的重要性

图3 与 DCDH 类似物相比，DCTH 包晶太阳能电池的多模态显微镜检查显示，设备稳定性降低，微观相分离增加  ©2024 Springer Nature

作者们考虑了双阳离子三卤化物（DCTH）和三阳离子三卤化物（TCTH）钙钛矿太阳能电池。这些电池通过在前驱溶液中添加PbCl2来调整钙钛矿的化学组成，以期提高带隙。与DCTH相比，DCTH和TCTH电池的宏观电气特性（如开路电压VOC和短路电流JSC）有所变化，这与带隙的增加一致。然而，由于额外的组成合金化，填充因子有所下降，表明载流子传输和提取受到了轻微的负面影响。在DCTH和TCTH电池中，皱纹区域的光电行为更加多样化，一些皱纹区域的Δµ（准费米能级分裂）相对于周围环境有所增加，而其他区域则减少。总的来说，这段内容强调了在三卤化物钙钛矿太阳能电池中，操作应力如何导致相分离现象，以及这种相分离如何影响电池的性能和稳定性。这些发现对于理解和改进钙钛矿太阳能电池的长期稳定性具有重要意义。

图4 界面化学和空间 PCE 紊乱可预测混合阳离子、混合卤化物过氧化物太阳能电池的性能和稳定性  ©2024 Springer Nature

作者们旨在通过调整界面工程和表面钝化策略来优化钙钛矿太阳能电池的稳定性和性能。这些策略包括改变空穴传输层（HTL）和在钙钛矿/C60界面处引入钝化层。研究者们将2PACz HTL变更为MeO-2PACz和Me-4PACz，这两种SAM HTL在高效率太阳能电池中被使用，并且已知它们会影响电荷提取、界面复合、能级对齐和基底疏水性。作者们得出结论，界面优化必须是理解和稳定影响设备长期稳定性的首要任务。他们还发现，初始PCE的紊乱是设备稳定性的良好预测指标，并且可以通过查看初始设备的光学PCE分布来筛选和预测稳定设备。尽管界面修改方法改善了初始电气性能并减少了光学PCE紊乱，但有些方法也导致了显著较差的稳定性。修改任一界面，同时保持钙钛矿组成和设备堆叠的其他部分不变，可以显著改变设备的稳定性。

科学启迪

总之，作者通过开发多模态原位显微镜工具包，深入研究了钙钛矿太阳能电池在操作和应力条件下的纳米尺度性能紊乱和界面质量对其稳定性的影响，揭示了界面工程和成分调整对提高电池性能和稳定性的重要性，并提出了实现高效稳定钙钛矿太阳能电池的一般设计规则。同时本文为深度敏感的化学成分映射、大规模制造的质量控制及其他半导体器件的应用等研究方向提供了重要的参考依据。

原文详情：

The impact of interfacial quality and nanoscale performance disorder on the stability of alloyed perovskite solar cells. Nature Energy (2024).

DOI: 10.1038/s41560-024-01660-1

本文由尼古拉斯供稿