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有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池已经成为最有前途的第三代光伏技术之一。但是铅的毒性和潜在的泄漏阻碍了铅钙钛矿太阳能电池的商业化。锡钙钛矿材料由于其优秀的光电特性和环保特性,是解决这一挑战的可行途径之一。此外,由于其理想的带隙,锡基钙钛矿材料有望接近Shockley-Queisser单结器件的理论效率极限。
目前,锡基钙钛矿太阳能电池的最高功率转换效率达到了14.8%,但仍然明显低于其理论极限。较大的开路电压损失、无法控制的结晶动力学以及空气稳定性差限制了锡基钙钛矿太阳能电池的进一步发展。埋底界面改性是解决这些问题的一种可行途径。这种方法不仅可以精确控制埋底界面的特性以提高界面兼容性,还可以与钙钛矿层有相互作用,实现对钙钛矿结晶过程的调控以及缺陷的钝化。
在埋底界面改性研究领域,由于钙钛矿的多样性和器件结构的不同,埋底界面修饰材料的选择各不相同。苏州大学的王照奎教授团队报道了一种基于电子效应调控特定官能团的分子定制策略。目标是基于稳定的埋底界面修饰材料,利用不同官能团的电子效应来改变分子的固有性质,从而使其适应锡基钙钛矿光伏器件中特定的界面条件。
为了实现埋底界面修饰,作者利用三甲氧基硅烷的水解和缩合反应,有选择性地将分子锚定到空穴传输层的表面。然后通过添加不同电子效应的官能团,定向地改变分子内部的电荷分布,从而产生不同方向的分子偶极矩。
在最优条件下,作者重点关注不同方向分子偶极矩在埋底界面处产生的不同效应。结果表明,具有吸电子基团氟的埋底修饰分子,在埋底界面引起的真空能级位移增大了空穴传输层的表面功函数,可以有效地优化能带排列,减少开路电压损失和提高界面间的载流子传输。
最终,优化后的锡基钙钛矿太阳能电池取得了14.67%的光电转换效率,并表现出良好的稳定性。该工作为设计锡基钙钛矿太阳能电池的埋底界面修饰材料提供了一种新的策略。
论文信息
Electronically Manipulated Molecular Strategy Enabling Highly Efficient Tin Perovskite Photovoltaics
Tian-Yu Teng, Zhen-Huang Su, Fan Hu, Chun-Hao Chen, Jing Chen, Kai-Li Wang, Di Xue, Prof. Xing-Yu Gao, Prof. Zhao-Kui Wang
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202318133
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