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隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾又匾侄?，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高效率、低成本和可溶液加工等優(yōu)點穩定性，成為近年來光伏領域的研究熱點像一棵樹。甲酰胺鉛碘化物（FAPbI3）作為一種理想的鈣鈦礦吸收材料，因其1.48 eV的帶隙寬度和高光吸收系數(shù)而備受關注去突破。然而能運用，F(xiàn)APbI3在反式結(jié)構(gòu)PSCs中的應用仍面臨挑戰(zhàn)，主要原因是其在疏水或有缺陷的空穴傳輸層（HTL）上難以形成高質(zhì)量的薄膜智能設備。近日不可缺少，華東理工大學吳永真教授團隊在這一領域取得了重大突破，通過開發(fā)一種新型兩親性分子空穴傳輸材料——(2-(4-(10H-苯并噻嗪-10-基)苯基)-1-氰基乙烯基)膦酸（PTZ-CPA）特點，實現(xiàn)了FAPbI3基反式鈣鈦礦太陽能電池效率超過25%的突破積極回應。

相關成果以“基于兩親性分子空穴傳輸材料的甲酰胺鉛碘化物鈣鈦礦太陽能電池效率超過25%”為題發(fā)表于國際知*期刊Angew. Chem. Int. Ed.向好態勢。希望該研究能為您的科學研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)平臺建設。

正文

反式（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其低溫加工性、增強的操作穩(wěn)定性和超過25%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）而備受關注貢獻力量。通常使用，鈣鈦礦的組成被認為是影響PSCs光電轉(zhuǎn)換效率的最關鍵因素。根據(jù)Shockley–Queisser極限發行速度，帶隙（Eg）接近1.34 eV的鈣鈦礦理論上可實現(xiàn)更高的PCE更加堅強，而甲酰胺鉛碘化物（FAPbI3）的Eg為1.48 eV，是單結(jié)PSCs的理想吸收材料性能。然而初步建立，F(xiàn)APbI3在反式結(jié)構(gòu)PSCs中的應用尚未取得成功，主要原因是其在疏水或有缺陷的空穴傳輸層（HTL）上難以形成高質(zhì)量的薄膜供給。這些因素會在鈣鈦礦-基底界面處產(chǎn)生形態(tài)的方法、成分或電子缺陷，對于FAPbI3鈣鈦礦來說保障性，這些缺陷更為嚴重帶動產業發展，因為其形成能相對較高（通常需要更高的退火溫度），且其光活性黑相穩(wěn)定性較差（容易形成黃色相）十分落實。近年來倍增效應，研究人員通過開發(fā)多功能兩親性分子空穴傳輸材料（HTMs），成功解決了反式PSCs中界面缺陷的問題製造業。這種策略顯著提高了反式PSCs的光伏性能優化服務策略，尤其是在使用三陽離子鈣鈦礦時關規定，實現(xiàn)了較高的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）。然而兩個角度入手，由于FAPbI3的帶隙較大（1.48 eV）建強保護，其短路電流密度（Jsc）較低，限制了PCE的進一步提升創新為先。因此真正做到，開發(fā)一種能夠有效改善FAPbI3薄膜質(zhì)量和界面特性的新型HTM，對于提高反式PSCs的性能具有重要意義創新延展。

在這項工作中強化意識，研究人員設計并合成了一種基于苯并噻嗪（PTZ）的兩親性分子空穴傳輸材料PTZ-CPA。與之前常用的咔唑基HTM（MeO-2PACz）相比基本情況，PTZ-CPA具有更強的兩親性現場，能夠形成超潤濕的空穴選擇性底層，從而實現(xiàn)高質(zhì)量FAPbI3薄膜的便捷沉積力量。通過密度泛函理論（DFT）計算我有所應，PTZ-CPA的分子偶極矩約為2.3 D，遠大于MeO-2PACz的0.2 D深入實施，這有助于在ITO/HTL/鈣鈦礦界面處更有效地傳輸空穴至關重要。此外，PTZ-CPA還表現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性效果、光穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性有所應。

結(jié)果與討論

分子設計與能級對齊

研究人員設計了一種基于苯并噻嗪（PTZ）的兩親性分子空穴傳輸材料PTZ-CPA，其結(jié)構(gòu)中含有氰基乙烯基膦酸（CPA）基團合作關系。與之前常用的咔唑基空穴傳輸材料MeO-2PACz相比著力提升，PTZ-CPA展現(xiàn)出更高的分子偶極矩（~2.3 D），這有助于在ITO/HTL/鈣鈦礦界面處更有效地傳輸空穴傳遞。此外重要的作用，PTZ-CPA的HOMO能級更深（-5.50 eV），與FAPbI3的價帶最大值（VBM）對齊更好規模最大，從而優(yōu)化了界面處的空穴收集效率穩中求進。

圖1 分子結(jié)構(gòu)與能級最深厚的底氣。（a）MeO-2PACz和PTZ-CPA的分子結(jié)構(gòu)適應性、優(yōu)化構(gòu)型（側(cè)視圖）以及偶極矩。（b）能量圖比較了基于UPS測量值的鈣鈦礦價帶邊與兩種分子空穴傳輸材料的HOMO能級之間的對齊情況稍有不慎，參考真空能級〉鹊?；疑摼€是用于標記FAPbI?鈣鈦礦吸收層的導帶最小值（CBM）和價帶最大值（VBM）水平的輔助線最為顯著。

HTL對FAPbI3薄膜沉積的影響

實驗中，研究人員通過旋涂法在MeO-2PACz和PTZ-CPA修飾的ITO玻璃上沉積FAPbI3薄膜。結(jié)果顯示環境，PTZ-CPA基底展現(xiàn)出更小的接觸角（5.5°）空間載體，表明其對鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的潤濕性更好。這種良好的潤濕性有助于鈣鈦礦薄膜的均勻沉積相對簡便，從而提高薄膜質(zhì)量重要組成部分。在旋涂過程中，PTZ-CPA基底上的FAPbI3薄膜表現(xiàn)出更高的光致發(fā)光（PL）強度和更慢的結(jié)晶速率合作，這歸因于PTZ-CPA分子中的多種功能基團（如膦酸勃勃生機、氰基和硫原子）與PbI2的強配位作用。這種強配位作用不僅延緩了FAPbI3的結(jié)晶極致用戶體驗，還提高了薄膜的結(jié)晶性和晶粒尺寸提供有力支撐。

圖2 HTLs對FAPbI?鈣鈦礦沉積的影響建議。（a）在旋涂過程中沉積于MeO-2PACz上的FAPbI?鈣鈦礦薄膜的原位光致發(fā)光（PL）光譜品率。（b）沉積于MeO-2PACz上的FAPbI?鈣鈦礦薄膜的俯視掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（標尺為1微米）。（c）沉積于MeO-2PACz上的FAPbI?鈣鈦礦薄膜的掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖案不斷發展。（d）沉積于PTZ-CPA上的FAPbI?鈣鈦礦薄膜的GIWAXS圖案積極影響。（e）沉積于MeO-2PACz和PTZ-CPA上的FAPbI?鈣鈦礦薄膜的X射線衍射（XRD）圖案。（f）沉積于MeO-2PACz和PTZ-CPA上的FAPbI?鈣鈦礦薄膜底部表面的俯視SEM圖像（標尺為1微米）緊密協作。

鈣鈦礦薄膜的光電特性

PTZ-CPA處理的FAPbI3薄膜展現(xiàn)出更高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY越來越重要，14.5%）和更長的Shockley-Read-Hall（SRH）壽命（2.14 μs），這表明PTZ-CPA更有效地鈍化了界面和體相中的電子缺陷穩定性。此外損耗，X射線光電子能譜（XPS）分析顯示，PTZ-CPA與FAPbI3之間的相互作用更強非常完善，Pb 4f峰的結(jié)合能向低能級方向移動性能穩定，這進一步證實了PTZ-CPA對缺陷的有效鈍化。

圖3. 光致發(fā)光（PL）特性與分子間相互作用情況正常。（a）沉積在石英玻璃和兩種空穴傳輸層（HTLs）上的FAPbI?鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY，激發(fā)波長為405 nm）技術特點；（b）時間分辨光致發(fā)光（TRPL）衰減測量（激發(fā)波長為510 nm）提高鍛煉。在DMSO-d?中的下場1H核磁共振（NMR）譜圖：（c）Cz-Et（0.01 mM）以及（d）PTZ-Ph（0.01 mM），分別在有無PbI?（0.1 mM）的條件下凝聚力量。X射線光電子能譜（XPS）：（e）來自原始FAPbI?鈣鈦礦薄膜以及涂覆有MeO-2PACz和PTZ-CPA的薄膜的Pb 4f信號有所提升；（f）來自PTZ-CPA薄膜以及涂覆有PTZ-CPA的FAPbI?鈣鈦礦薄膜的S 2p信號。

器件性能

基于PTZ-CPA的FAPbI3反式鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了25.35%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）新的力量，這是迄今為止報道的FAPbI3基反式PSCs中的*高效率之一先進水平。該器件的開路電壓（Voc）為1.180 V便利性，短路電流密度（Jsc）為25.58 mA/cm2，填充因子（FF）為83.98%重要平臺。相比之下深刻認識，基于MeO-2PACz的器件PCE為22.46%，Voc為1.125 V應用提升，Jsc為25.02 mA/cm2主動性，F(xiàn)F為79.78%。這些結(jié)果表明發展的關鍵，PTZ-CPA不僅提高了FAPbI3薄膜的結(jié)晶性和光電特性道路，還顯著提升了器件的整體性能。

本文中使用的光電測試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR600光電探測器光譜響應度標定系統(tǒng)帶動產業發展。DSR600光電探測器光譜響應度標定系統(tǒng)結(jié)合了北京卓立漢光儀器有限公司給多家科研單位定制的光譜響應系統(tǒng)的特點和經(jīng)驗責任製，采用國家標準計量方法進行全自動測試，是光電器件倍增效應、光電轉(zhuǎn)換材料的光譜響應性能研究的必*工具規則製定。

結(jié)論

PTZ-CPA作為一種新型兩親性分子空穴傳輸材料，通過改善FAPbI3薄膜的結(jié)晶性和界面特性優化服務策略，顯著提高了反式PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性關規定。這一成果不僅為FAPbI3基反式PSCs的商業(yè)化應用提供了新的思路，也為鈣鈦礦太陽能電池的進一步發(fā)展奠定了堅實基礎更讓我明白了。

通訊作者及其團隊介紹

吳永真迎難而上，華東理工大學化學與分子工程學院教授、博士生導師探索。分別于2008堅持先行、2013年在華東理工大學獲得應用化學專業(yè)學士和博士學位，2013-2016在日本筑波國立物質(zhì)材料研究所從事博士后研究滿意度，2016年10月回國工作情況較常見，主要研究方向為新型太陽能電池材料與器件。在Science, Nat. Energy, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Adv. Mater., Energy Environ. Sci. 等國際主流學術(shù)期刊上發(fā)表SCI收錄論文80余篇主要抓手，被SCI他引11000余次體製，H指數(shù)45。入選交叉領域2019-2021年全球高被引科學家(科睿唯安)創新科技，曾獲得國家自然科學二等獎（2019年服務延伸，第三完成人）、上海市自然科學一等獎（2017年具有重要意義，第三完成人）進一步、中國化學會青年化學獎（2020年）。先后入選上海市“東方學者”（2016年）強大的功能、中國化學會“青年人才托舉工程”（2017年）和國家自然科學基金委“優(yōu)秀青年科學基金”（2018年）等人才項目資助實際需求。

相關產(chǎn)品推薦

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR600光電探測器光譜響應度標定系統(tǒng)。如需了解該產(chǎn)品敢於監督，歡迎咨詢。

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