AFM. 華中科大韓宏偉與港中大路新慧團隊 p-MPSCs優化研究

更新時間：2024-05-30 點擊次數：2148

摘要

可印刷介孔鈣鈦礦太陽能電池 (p-MPSCs) 由于其簡單且經濟高效的制備工藝，在實現大規模生產方面展現出巨大潛力。然而，在 p-MPSCs 中，填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔層中的鈣鈦礦薄膜厚度通常達到 3 μm，這使得鈣鈦礦的結晶過程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更復雜、更具挑戰性。為了克服這一挑戰，華中科技大學的 Hongwei Han 和 Xinhui Lu 研究團隊在 Advanced Functional Materials 期刊上發表了一項研究成果，他們使用一種多功能氟化分子作為添加劑，有效改善了鈣鈦礦的結晶過程，提升了器件的效率，并增強了其工作穩定性。

本研究推薦使用設備
TPCV鈣鈦礦太陽能電池瞬態光電流光電壓測試儀

研究背景與核心概念

鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 憑借其高效率、低成本和可印刷性等優勢，成為最有希望取代傳統硅基太陽能電池的下一代光伏技術。近年來，鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率不斷攀升，已突破 25% 的瓶頸，但其長期穩定性問題仍然是阻礙其商業化應用的關鍵因素。

可印刷介孔鈣鈦礦太陽能電池 (p-MPSCs) 由于其簡單的制備工藝和可擴展性，在實現大規模生產方面具有顯著優勢。然而，在 p-MPSCs 中，由于鈣鈦礦薄膜需要填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔層中，其厚度通常達到 3 μm，這使得鈣鈦礦的結晶過程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更復雜、更具挑戰性。

研究方法與主要發現

為了解決 p-MPSCs 中的鈣鈦礦結晶問題，該研究團隊開發了一種多功能氟化分子 (6FDA) 作為添加劑，以改善鈣鈦礦的結晶過程，提升器件的效率和穩定性。

6FDA 分子具有以下特點：

l缺陷鈍化: 6FDA 的羰基可以與鈣鈦礦中的未配位 Pb2+ 形成強烈的配位作用，從而有效鈍化缺陷，降低非輻射復合。

l疏水性: 6FDA 的疏水性可以提高器件的抗水性，增強其長期工作穩定性。

研究人員將 6FDA 添加到鈣鈦礦前驅體溶液中，并通過一系列表征手段，包括 X 射線衍射 (XRD)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、X 射線光電子能譜 (XPS)、穩態/時間分辨光致發光光譜 (PL/TRPL) 等，對鈣鈦礦薄膜的結構、形貌和光電性能進行了分析。

為了更深入地了解 6FDA 對器件載流子動力學的影響，研究人員還進行了瞬態光電流 (TPC) 和瞬態光電壓 (TPV) 測試。TPC 測量可以評估器件中載流子的傳輸時間，而 TPV 測量可以評估器件的光電壓衰減時間，從而進一步了解載流子復合和器件穩定性。

研究結果與討論

研究結果表明，6FDA 的添加顯著提升了 p-MPSCs 的效率和穩定性：

提高器件效率: 添加 6FDA 后，鈣鈦礦的結晶質量得到改善，薄膜的均勻性和結晶度提高，從而提高了器件的效率。小面積器件 (0.1 cm2) 的功率轉換效率 (PCE) 達到 20.15%。

增強器件穩定性: 6FDA 的疏水性可以有效地阻止水分和氧氣的入侵，提高了器件的工作穩定性。未封裝的器件在室溫下存放超過 1000 小時后，其 PCE 仍能保持 80% 以上。

研究人員利用穩態 PL 和時間分辨 PL 證實了 6FDA 對鈣鈦礦薄膜的鈍化作用，并通過測試器件的載流子壽命 (TRPL) 和光電壓衰減 (TPV) 說明了 6FDA 對載流子復合和器件穩定性的積極影響。TPC 測試結果表明，6FDA 的添加可以有效地縮短載流子的傳輸時間，提高了器件的載流子傳輸效率。TPV 測試結果顯示，添加 6FDA 后，器件的光電壓衰減時間延長，說明了 6FDA 可以有效抑制載流子的復合，從而提高器件的穩定性。

結論與展望

該研究開發了一種多功能氟化分子作為添加劑，有效改善了 p-MPSCs 中鈣鈦礦的結晶過程，并顯著提升了器件的效率和穩定性。這項研究為制備高效穩定的 p-MPSCs 提供了新的策略，并為 PSCs 的大規模產業化應用奠定了堅實的基礎。

未來，可以通過進一步優化添加劑的結構和性質，以及結合其他界面工程策略，進一步提升 p-MPSCs 的性能，推動其在光伏領域的應用。

本文參數圖:

AFM. 華中科大韓宏偉與港中大路新慧團隊 p-MPSCs優化研究

Fig. 5_ 展示了 (a) 穩態 PL 和 (b) 時間分辨 PL，以及 (c) 器件的瞬態光電壓衰減曲線，分別針對添加和未添加 6FDA 的 mp-TiO2/玻璃結構的鈣鈦礦。其重要性: 通過 PL 光譜和光電壓衰減，評估了 6FDA 對鈣鈦礦薄膜光致發光特性和載流子壽命的影響，并說明了 6FDA 對缺陷鈍化的效果。