来源:《Nano Research Energy》 发布时间:2022/6/1 14:42:51
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自组装单分子层显著提高太阳能电池效率和稳定性

 

自组装单分子层如今被广泛应用于电子学器件/光电器件的界面修饰。鉴于此,2022年5月12日,香港城市大学Alex K.-Y. Jen(任广禹)教授在清华大学主办学术期刊《Nano Research Energy》上发表题为“Self-assembled Monolayer Enabling Improved Buried Interfaces in Blade-coated Perovskite Solar Cells for High Efficiency and Stability”的最新研究成果。
 
 
图1:基于自组装单分子层刮涂制备的钙钛矿太阳能电池组件. (a) 自组装单分子层用于改善刮涂制备的钙钛矿薄膜的埋底界面的示意图;(b) 刮涂法制备的钙钛矿组件(5 cm × 5 cm)的照片;(c)刮涂法制备的钙钛矿组件的J-V曲线(开孔面积为18.0 cm2)。
 
钙钛矿太阳能电池由于其高性能和低成本的特点,具有作为未来清洁能源技术的潜力。目前钙钛矿太阳能电池的世界最高效率为25.7%,已经超过多晶硅太阳能电池的效率。然而,由于难以从实验室的小面积器件扩展到商业化使用所需的大面积组件并同时保证良好的效率和稳定性,钙钛矿光伏技术的商业化投入使用仍然面临很大的挑战。目前,高效的倒置钙钛矿太阳能电池大多采用聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作为下层空穴传输材料,但由于PTAA的浸润性较差,导致上层刮涂制备的大面积钙钛矿薄膜往往不均匀,并在钙钛矿层的埋底界面处引入大量的界面空隙,严重损害钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。因此,研究适合刮涂制备大面积、高质量钙钛矿薄膜的下层传输材料尤为重要。
 
香港城市大学Alex K.-Y. Jen(任广禹)教授团队在自组装单分子层对修饰电子学器件/光电器件的界面应用领域已有十几年的研究经验(Adv. Mater. 2008, 20, 2376. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.200703050; Adv. Mater. 2011, 23, 1899. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.201004762)。自组装单分子层是有机分子的有序阵列,该有机分子包含一个可以与基底结合的锚定基团和顶部功能性基团以调控表面性能。这些自组装的单层分子可充当中间连接体,实现层与层的紧密结合、调控界面性质及电荷传输等。在钙钛矿太阳能电池领域,此前该团队也分别报道了p型及n型自组装单分子层能够有效地提升器件的性能(ACS Nano 2014, 8, 12701. DOI: 10.1021/nn505723h; ChemSusChem 2017, 10, 3794. DOI: https://doi.org/10.1002/cssc.201701262)。
 
因此,该团队基于前期的研究经验,针对上述PTAA在大面积钙钛矿制备中存在的问题,在本工作中提出采用[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸(MeO-2PACz)作为自组装单分子空穴提取层来取代PTAA。一方面,亲水的MeO-2PACz单分子层改善了刮涂钙钛矿薄膜的成核和生长,形成致密均匀的埋底界面并促进与顶部钙钛矿的相互作用以钝化界面缺陷。另一方面,由于该MeO-2PACz自组装单分子层仅有单层分子,因此可以通过电荷隧穿有效地将载流子从钙钛矿提取到衬底电极,从而提高器件性能。得益于钙钛矿在自组装单分子层上的高质量埋底界面及高效的空穴提取,在有效面积分别为0.105 cm2和18.0 cm2 的钙钛矿器件和组件上分别实现了18.47%和14.13%的能量转换效率。此外,基于自组装单分子层的钙钛矿太阳能电池表现出良好的稳定性,惰性气体氛围中在最大功率点附近连续运行500小时以上后,仍可保持90%的初始效率。
 
这项工作展示了自组装单分子层作为载流子提取层在刮涂大面积钙钛矿太阳能电池应用方面的巨大潜力。近日,该团队亦发展了一种共自组装单分子层策略,改善了钙钛矿太阳能电池器件性能和器件稳定性(Angew. Chem. Int. Ed. 2022,DOI: 10.1002/anie.202203088)。未来该研究团队将通过对自组装分子的设计优化,开发多功能自组装单分子实现电荷提取、界面调控、及钙钛矿缺陷钝化的协同作用,助力钙钛矿光伏的商业化进程。
 
相关论文信息:Jie Zeng, Leyu Bi, Yuanhang Cheng, Baomin Xu, Alex K.-Y. Jen. Self-assembled monolayer enabling improved buried interfaces in blade-coated perovskite solar cells for high efficiency and stability. Nano Res. Energy 2022, DOI: 10.26599/NRE.2022.9120004.
 
 
作为《Nano Research》姊妹刊,《Nano Research Energy》 (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; Official Website: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月由清华大学创办,香港城市大学支春义教授和清华大学曲良体教授共同担任主编。《Nano Research Energy》是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊,聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。2023年之前免收APC费用,欢迎各位老师踊跃投稿。投稿请联系:NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn.
 
 
 
 
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