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用户前沿丨香港城市大学朱宗龙团队重磅Science:25%!刷新世界记录!

2022-10-16 浏览:70

▲第一作者:李稹,李博,吴鑫 
通讯作者:朱宗龙,Nicholas J. Long通讯单位:香港城市大学,伦敦帝国理工学院 论文DOI:10.1126/science.abm8566
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全文速览

二茂铁有机金属衍生物同时具备了有机材料和无机材料的优异特性,作为功能化界面层可以有效降低反式钙钛矿太阳能电池界面中的非辐射复合,同时加快电荷传输速度,最终实现反式器件的效率记录(25%)和优异的稳定性,本文为设计稳定高效的钙钛矿太阳能电池界面材料提供了新思路。02
背景介绍

反式(p-i-n)钙钛矿太阳能电池由于具有较长的运行稳定性备受关注。但是,与正式(n-i-p)钙钛矿太阳能电池相比,反式钙钛矿太阳能电池的发展仍然受制于其较低的功率转换效率(PCE)。而且,反式钙钛矿太阳能电池的稳定性和使用寿命仍无法达到国际电工委员会对于商业化光伏器件的认定标准(IEC61215:2016)。钙钛矿活性层与电荷传输层界面间的缺陷和非理想电荷传输是制约反式钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的关键因素之一,因此有效的界面层材料选择尤为重要。03
本文亮点

(i) 本工作通过引入二茂铁有机金属衍生物(ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate(FcTc2))功能化界面层大幅度地提高了反式钙钛矿太阳能电池的PCE以及长期稳定性。FcTc2中的有机官能团有效地钝化了钙钛矿表面上未配位的铅离子引起的缺陷,同时由于二茂铁基团的富电子及其可离域的特性极大限度地提高了钙钛矿界面间的电荷传输速度。(ii) 通过FcTc2界面修饰后的器件,其短路电压(VOC)以及填充因子(FF)得到了较大的提升,实验室测试效率达到了反式钙钛矿太阳能电池记录效率25%(认证效率为24.3%)。(iii) FcTc2界面修饰后的器件展现了优异的稳定性,在长期光照运行1500小时后仍维持在初始效率的98%,在湿热环境下(85℃/85% RH)的稳定性测试通过了IEC61215:2016的国际标准04
图文解析

▲图1. FcTc2功能化后的钙钛矿薄膜表征

要点:

(i) 本文采用二茂铁有机金属衍生物FcTc2修饰钙钛矿/C60界面。(ii) 通过飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)证明了FcTc2主要分布在钙钛矿活性层表面,没有进入晶格,从而不影响钙钛矿的结晶及其光学特性。(iii) X射线光电子能谱(XPS)证明了FcTc2与钙钛矿表面具有较强的相互作用。(iv) 密度泛函理论(DFT)模拟计算表明FcTc2中的O原子与钙钛矿表面上未配位的铅离子形成牢固的Pb-O键,并显著增强钙钛矿和FcTc2之间的静电吸引力。

(v) 钙钛矿和FcTc2之间较强的结合力有利于钙钛矿表面的缺陷钝化和提高钙钛矿结构的稳定性。

▲图2. 钙钛矿薄膜表征

要点:

(i) 开尔文探针力显微镜(KPFM)显示,FcTc2处理后的钙钛矿薄膜相比于对照组薄膜具有更均匀的表面接触电位分布,从而更有利于电荷传输以及降低非辐射复合。(ii) 光热诱导共振谱(PFIR)显微镜成像结果显示,经过FcTc2处理后的钙钛矿薄膜中MA+阳离子的强度和分布在老化1000小时仍然保持良好,而对照组钙钛矿薄膜的MA+信号显著降低和扩散。

(iii) FcTc2界面层能有效的抑制钙钛矿表面的离子迁移和挥发,为良好的器件稳定性奠定基础。

▲图3. 器件性能表征

要点:(i) 通过FcTc2界面修饰的反式钙钛矿器件的最高PCE达到了记录值25% (认证效率24.3%),其中VOC:1.184V (1.179V),JSC: 25.68 mA cm-2 (25.59 mA cm-2), FF: 82.32% (80.56%)。(ii) 通过FcTc2界面修饰的钙钛矿器件的平均效率达到了24.5%,同时具有了良好的可重复性。

(iii) 通过FcTc2界面修饰的钙钛矿器件的光致发光效率达到了7%,由此计算得出因非辐射复合导致的能量损失低至68.75 mV, 远小于参比器件的108.57 mV,进一步证明了FcTc2能有效地抑制钙钛矿太阳能电池的非辐射复合,降低能量损失。

▲图4. 钙钛矿器件稳定性测试

要点:(i) 封装后的FcTc2基钙钛矿器件在连续光照条件1500小时后仍能保持原始效率的98%。(ii) 本工作还依据了IEC61215:2016国际标准对钙钛矿太阳能电池进行了更加严苛的稳定测试。在双85(85℃/85% RH)条件下,FcTc2基钙钛矿器件在1000小时后仍能保持原始效率的95%,符合IEC61215:2016的湿热环境稳定性的标准。同时,FcTc2基钙钛矿器件在200次冷热冲击(-40℃-85℃)循环后仍能保持初始效率的85%。05
总结与展望

二茂铁有机金属衍生物材料为进一步提高反式钙钛矿太阳能电池的功率转换效率以及稳定性提供了新的界面层分子设计思路,有助于推动了钙钛矿太阳能电池的商业化进程。06
课题组介绍

朱宗龙,香港城市大学助理教授。2010年南京大学本科毕业,2015年毕业于香港科技大学,获得博士学位。2018年6月起任香港城市大学助理教授,主要从事光电功能材料的设计与合成(有机或无机功能材料设计与改性、界面材料调控)及其在光伏器件中应用的相关研究。朱博士目前已在Science,Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Chem. Soc. Rev. J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Joule, Adv. Mater.等各类期刊发表相关工作共发表110余篇,H因子达51。

朱博士课题组主页:https://zhugroupcityu.wixsite.com/zhugroup
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