变废为宝:巧用卤化物钙钛矿表面缺陷优化光伏电池能级结构 | Nature Communications
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界面偶极是近年来薄膜光伏电池领域中最热门的概念之一,它可以有效调节器件界面能级结构增强内建电场,从而促进光生载流子的分离、传输和收集,减少复合。大量研究从调控界面层中分子的骨架和官能团着手,试图通过提高分子本身的偶极矩,来增强界面层的偶极强度。
介观尺度(10-6 m - 10-3 m):
光谱技术被广泛用于化学成分和结构的研究,其空间分辨率处于微米-毫米量级的介观尺度,正好对应于分子聚集态的特征尺度,是连接宏观与微观的桥梁。
该团队使用了仅对表界面上的分子排列取向敏感的和频光谱(SFG)技术证实,带强偶极矩的PCBB-3N-3I分子在钙钛矿表面有序组装排列,是PCBB-3N-3I界面偶极层形成的关键。
纳米-微米尺度(10-9 m - 10-6 m):
扫描探针技术具有纳米级的空间分辨率并覆盖至微米尺度,其功能成像技术能够提供丰富的能级排布和电荷传输信息。
为了验证PCBB-3N-3I界面偶极层是内建电势提高的原因,该团队使用原创的原位工况扫描开尔文探针技术(cross-sectional SKPM)对比钙钛矿器件加入PCBB-3N-3I前后发现,PCBB-3N-3I界面层引起真空能级突降。
这样的能级排布意味着有较强的界面电场且与内建电场方向相同,两者叠加从而提高器件内部电场和内建电势,这也与宏观尺度的Mott-Schottky分析,光电流Vs有效电压曲线的结果一致。
分子尺度(10-10 m - 10-9 m):
第一性原理计算(DFT)是解析单个分子在衬底表面构型的常用手段,能够从分子尺度追溯界面偶极层的形成机理。
PCBB-3N-3I是末端为三个二乙基胺的富勒烯衍生物PCBB-3N经碘离子化之后的产物,DFT计算表明PCBB-3N-3I比PCBB-3N在钙钛矿表面未饱和Pb2+的吸附能更低,且更易有序组装排列。
考虑到PCBB-3N-3I与PCBB-3N的唯一差别在于侧链上的I-,故推测I-与未饱和Pb2+之间的静电相互作用使得PCBB-3N-3I的侧链易吸附在未饱和Pb2+上,为分子组装提供驱动力。
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Ncomm|doi:10.1038/s41467-019-12613-8
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