The Innovation Materials | 自组装单层膦酸基分子赋能大面积全钙钛矿叠层太阳能电池
导 读
由宽带隙单元电池（1.7 ~ 1.9 eV）和窄带隙单元电池（1.2 ~ 1.3 eV）组成的全钙钛矿叠层太阳能电池有望突破单P-N结太阳能电池的理论能量转换极限（肖克利-奎伊瑟极限），具有兼顾高功率转换效率和低制备成本的特点。目前，宽带隙单元电池仍然面临开路电压和填充因子损失的问题，限制了全钙钛矿叠层器件性能的提升。
图1 全钙钛矿叠层太阳能电池结构及性能比较
膦酸基分子可以在氧化物表面形成双齿/三齿键，有利于形成致密、均一的自组装单层薄膜的独特性质，2018年研究人员首次将该类材料用做空穴提取层以提高P-I-N型钙钛矿太阳能电池功率转换效率。由于其快速的空穴提取效率和高效的界面选择性钝化优点，为构筑高效全钙钛矿叠层器件提供了有力条件。虽然通过调控自组装单层分子的取代基可以有效调节其与钙钛矿价带边缘能级排布，但是开发高效的空穴提取层，还要同时实现其对表面形貌、能级排布的协同调控仍是一项挑战。
四川大学赵德威和厦门大学唐卫华教授合作团队提出了一种自组装分子末端基团共轭调控策略，通过采用二苯并咔唑替代商用4PACz分子的咔唑基团，设计并合成了一种新颖的自组装材料，即4PADCB（图1）。该团队将其应用于宽带隙（1.77 eV）的钙钛矿型太阳能电池，显著提高了薄膜的覆盖率和表面润湿性，实现了高效的空穴提取并抑制了界面非辐射复合。与商用材料4PACz相比，其引入的稠合苯基赋予了分子更加扭曲的分子构型。一方面，由于空间位阻效应，4PADCB的末端基团在抑制分子聚集方面发挥了重要作用，有利于形成更加致密且均一的薄膜，显著抑制了界面非辐射复合。另一方面，通过光致发光量子产率测量以及准费米能级分裂计算，佐证了4PADCB在增强开路电压和填充因子方面具有明显的优越性。
值得一提的是，由于稠合苯基引起分子共轭程度的扩展，4PADCB实现了更加有序的π堆积和更平行于ITO衬底的分子取向。同时，较大的末端共轭基团有利于与钙钛矿材料之间形成更多的相互作用位点，促进了界面的电荷输运。此外，4PADCB能够与钙钛矿吸光层之间实现更加匹配的能级排布，从而实现了基于4PADCB空穴提取层的大面积（1.044 cm2）全钙钛矿叠层太阳能电池的制备，其认证的光电转换效率高达26.4%；同时，开路电压和填充因子分别达到2.12 V和82.6%。在连续光照、最大最大功率点跟踪测试下，其效率衰减至初始值80%时的寿命达到415小时，这是基于对比商用材料4PACz所制备器件寿命的1.6倍。
总结与展望
通过引入自组装材料作为空穴提取界面层，可以有效地解决传统空穴提取层导电率低、钙钛矿晶体薄膜质量差的问题。从分子工程出发，精细调控自组装分子的共轭结构和取代基团为协同调节钙钛矿光伏薄膜生长、载流子注入和传输提供了有效的解决方案，有利于显著提升钙钛矿光伏器件性能。未来结合喷墨打印、卷对卷等制备技术，有望实现大面积、高效率、长寿命的全钙钛矿光伏技术的商业化。
责任编辑
马志超 吉林大学
丁建勋 中国科学院长春应用化学研究所
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原文链接：http://www.the-innovation.org/materials/article/10.59717/j.xinn-mater.2023.100005
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第1卷第1期以Commentary发表的“Self-assembled monolayer meets all-perovskite tandem solar cells” (投稿: 2023-04-18；接收: 2023-06-05；在线刊出: 2023-06-16)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2023.100005
引用格式：Ji S., Xue Q., Li Y., et al. (2023). Self-assembled monolayer meets all-perovskite tandem solar cells. 1(1), 100005.
作者简介
李运贵，德国马普高分子研究所有机半导体光物理课题组负责人。本科和硕士毕业于华中科技大学，博士毕业于德国德累斯顿工业大学。主要从事有机半导体材料瞬态光物理和光电子器件物理相关研究。
郑将辉，悉尼大学物理学院研究员。博士毕业于厦门大学光伏工程专业，曾在新南威尔士大学光伏与可再生能源学院从事博士后研究。长期从事新型光电材料与器件的研究，包括钙钛矿硅叠层太阳能电池、下转换太阳能电池以及发光二极管等，累计发表SCI论文70余篇。
谢国华，厦门大学柔性电子（未来技术）研究院教授，英国皇家化学会会士，德国洪堡学者，The Innovation青年编委。毕业于吉林大学电子科学与工程学院，曾在德国德累斯顿工业大学应用光物理研究所和英国圣安德鲁斯大学物理与天文系分别从事OLED微显示和医用研究，后被引进武汉大学化学与分子科学学院。主要从事有机光电材料和器件交叉学科研究，先后主持国家自然科学基金面上项目3项、承担4项国家交流合作项目，累计发表SCI论文230余篇。
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