【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】實(shí)現(xiàn)光生載流子的快速輸運(yùn)和物理空間高效分離是獲得高性能光伏器件的必要條件。這需要載流子在光吸收層具有高遷移率和低復(fù)合率，其在光吸收層和電子/空穴傳輸層界面處的分離和后續(xù)輸運(yùn)同樣對(duì)器件性起著決定影響。
 

　　科研人員研制出晶粒尺寸接近微米量級(jí)的高性能鹵化鉛鈣鈦礦多晶薄膜，光生載流子在這些薄膜中的有效擴(kuò)散長(zhǎng)度超過(guò)薄膜厚度，能夠以極低的復(fù)合率快速輸運(yùn)。鈣鈦礦薄膜制備技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了器件性能大幅度提升，使得器件界面性質(zhì)成為制約鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展的主要因素。
 

　　對(duì)于正型結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，通過(guò)在鈣鈦礦薄膜表面構(gòu)建二維/三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)已被證實(shí)可以有效調(diào)控器件頂界面的能級(jí)結(jié)構(gòu)，從而提高光生載流子的分離和后續(xù)輸運(yùn)效率。而由于界面修飾材料極易被后續(xù)鈣鈦礦薄膜制備過(guò)程破壞，器件的埋底界面(下界面，即鈣鈦礦光吸收層/電子傳輸層界面)的鈍化修飾仍處于發(fā)展階段。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心與華僑大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等合作，發(fā)展了一種重構(gòu)器件埋底界面能級(jí)結(jié)構(gòu)的方法。這種方法以自擴(kuò)散摻雜工藝為基礎(chǔ)，能夠在鈍化器件埋底界面缺陷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)界面光生載流子的高效分離。8月25日，相關(guān)研究成果以Robust Interfacial Modifier for Efficient Perovskite Solar Cells: Reconstruction of Energy Alignment at Buried Interface by Self-Diffusion of Dopants為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上，并申請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)利。
 

　　科研人員在鈣鈦礦薄膜與二氧化錫(SnO2)電子傳輸層的界面處引入一種氨基酸衍生物L(fēng)-天門(mén)冬氨酸鉀(PL-A)來(lái)調(diào)控器件埋底界面的性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，PL-A上的羧基(-COO-)能夠與SnO2相互作用，鈍化SnO2表面缺陷；同時(shí)，PL-A上的氨基(-NH2)與PbI2發(fā)生配位反應(yīng)，鈍化鈣鈦礦薄膜的下表面缺陷(圖1)。在這些作用下，光生載流子在鈣鈦礦薄膜/電子傳輸層界面處的非輻射復(fù)合得以抑制。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，PL-A的鉀離子能夠擴(kuò)散進(jìn)入鈣鈦礦薄膜中，形成梯度摻雜(圖2a-f)，從而優(yōu)化界面處鈣鈦礦一側(cè)的能級(jí)結(jié)構(gòu)(圖2g-h)，促進(jìn)載流子在薄膜內(nèi)的傳輸。
 

　　計(jì)算結(jié)果表明，界面處的PL-A形成取向分布(圖1e)，所產(chǎn)生附加偶極能夠調(diào)控SnO2功函數(shù)，從而減小開(kāi)路電壓(Voc)損失。在上述這些作用的協(xié)同優(yōu)化下，器件的性能得以顯著提升。結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期在器件頂界面性能優(yōu)化的研究基礎(chǔ)(Nano Energy 2021, 90, 106537)，光電能量轉(zhuǎn)換效率最高可實(shí)現(xiàn)23.74%(圖3)。此外，這種界面修飾工藝在大面積器件制備中也展現(xiàn)出良好的性能提升效果。
 

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省自然科學(xué)基金、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等的支持。
 

　　圖1.PL-A處理SnO2薄膜的XPS圖譜：(a)Sn 3d精細(xì)譜、(b)未處理薄膜O 1s精細(xì)譜、(c)PL-A處理后薄膜O 1s精細(xì)譜，(d)PL-A處理前(藍(lán)線)后(紅線)SnO2薄膜和純相PL-A(黑線)的FTIR圖譜，(e)PL-A在SnO2(010)晶面上的分布示意圖，圖中粉色、黃色、淺粉色、淺藍(lán)色和藍(lán)色原子分別代表C、H、O、N和Sn原子。
 

　　圖2.(a)PL-A處理前(參比樣品)和處理后(目標(biāo)樣品)ITO/SnO2/Perovskite復(fù)合結(jié)構(gòu)的陰離子縱向分布曲線，(b)PL-A處理前后ITO/SnO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au器件中的陽(yáng)離子縱向分布曲線，PL-A處理前后SnO2以及鈣鈦礦表面的電勢(shì)分布：(c)未處理SnO2薄膜、(d)PL-A處理后SnO2薄膜、(e)在未處理SnO2薄膜表面生長(zhǎng)的鈣鈦礦薄膜、(f)在PL-A處理后SnO2薄膜表面生長(zhǎng)的鈣鈦礦薄膜，PL-A處理前(g)和處理后(h)器件埋底界面能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。
 

　　圖3.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的結(jié)構(gòu)示意圖(a)和SEM截面圖像(b)，利用不同濃度PL-A處理的器件能量轉(zhuǎn)換效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果(c)和最佳J-V曲線(d)，PL-A處理前后最佳性能器件的IPCE曲線(e)、J-V曲線(f)、SPO曲線(g)和回滯因子HI統(tǒng)計(jì)結(jié)果(h)。