SCI. 新型空穴传输层材料,强化钙钛矿太阳能电池长期稳定性

更新时间:2024-06-20      点击次数:232

SCI. 新型空穴传输层材料,强化钙钛矿太阳能电池长期稳定性


钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 凭借其高效率、低成本和可印刷性等优势,成为最有希望取代传统硅基太阳能电池的下一代光伏技术。然而,PSCs 在实际户外应用中面临着紫外线 (UV) 辐射带来的严峻挑战。

为了解决这一问题,美国北卡罗来纳大学教堂山分校的 Jinsong Huang 教授团队在 Science 期刊发表了最新研究成果,他们通过开发一种新型的强键合空穴传输层 (HTL) 材料,有效地抑制了 钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的紫外线降解,并显著提高了器件的长期稳定性。

紫外线辐射的影响效率
钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的效率近年来不断攀升,突破了 25% 的瓶颈,但其长期稳定性问题仍然是阻碍其商业化应用的关键因素。在实际应用中,PSCs 暴露在阳光照射下,会受到紫外线辐射的影响,导致器件性能下降。紫外线辐射会导致 PSCs 的多种降解问题,例如:

l  钙钛矿材料的分解: 紫外线辐射可以导致钙钛矿材料分解,形成缺陷,降低器件效率。

l  空穴传输层 (HTL) 的降解: 紫外线辐射可以加速 HTL 的降解,降低器件的空穴提取效率,影响器件性能。

l  界面处的化学反应: 紫外线辐射会导致钙钛矿和 HTL 之间发生化学反应,改变器件的界面性质,降低器件的稳定性。

为了解决这些问题,研究人员一直在探索各种策略,例如开发新型的 HTL 材料和界面工程技术。空穴传输层 (HTL) 的研究手法自光伏技术兴起以来经历了多個阶段。以下是 HTL 研究的主要历史发展:

早期研究 (2000 年代初期):

l  有机材料: 早期 HTL 研究主要集中在有机材料上,如 PEDOT,因其良好的导电性和与有机光伏材料的相容性。然而,这些材料在稳定性和制造成本上存在挑战。

l  金屬氧化物: 同时,也有一些研究开始探索无机金属氧化物,如 NiO CuI,这些材料具有更高的稳定性和更好的能级匹配特性。

中期研究 (2010 年代):

l  混合材料: 为了兼顾有机和无机材料的优势,研究者开始探索有机-无机混合材料的 HTL,例如氧化石墨烯掺杂的 PEDOT

l  新型有机材料: 同时,新的有机材料如 PTAA (聚三苯胺) 被引入,展示出更好的性能和稳定性。

近年研究 (2020 年至今):

l  工程化表面处理: 近年来,研究者更多地关注于通过工程化手段改进 HTL 的界面特性,例如表面修饰和分子工程。

l  新型无机材料: 研究者持续探索新型无机材料,如掺杂金属氧化物和二维材料,以提高 HTL 的性能和稳定性。

l  多功能层设计: 最新的研究开始考虑 HTL 的多功能设计,不仅是空穴传输,还包括阻隔水氧、增强界面粘附等功能。

解决紫外线降解成果简介:

该研究团队开发了一种新型的强键合 HTL 材料,即 [2-(9-乙基-9H-咔唑-3-yl) 乙基] 膦酸 (EtCz3EPA)EtCz3EPA 具有以下特点:

l  强键合能力: EtCz3EPA 的膦酸基团可以与透明导电氧化物 (TCO) 表面形成强烈的化学键,而其氮原子可以与钙钛矿中的铅原子形成配位键,从而在钙钛矿/HTL/TCO 界面形成牢固的化学连接,有效抑制界面缺陷的形成。

l  良好的空穴提取性能: EtCz3EPA 具有良好的空穴提取性能,可以有效地将空穴从钙钛矿层中提取出来,并传输到正极,提高器件的效率。

研究人员将 EtCz3EPA 与传统的 HTL 材料 (例如 PTAA) 结合,制备了新型的混合 HTL 材料,并对其在 PSCs 中的性能进行了测试。

研究结果

l  提高器件效率: 与传统的 HTL 材料 (例如 PTAA) 相比,使用 EtCz3EPA EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 的器件展现出更高的效率,且在紫外线照射下依然保持着较高的性能。

l  增强器件稳定性: EtCz3EPA EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 可以有效地抑制紫外线引起的钙钛矿分解和 HTL 降解,提高器件的稳定性。经过 29 周的户外测试,基于 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL PSCs 模块仍然能保持超过 16% 的效率,展现出优异的稳定性。

研究人员利用各种表征手段,例如 SEMXPSAFMTRPLGIXRDTAS DLCP 等,对器件的结构、形貌、光电特性、稳定性和缺陷进行了分析。实验结果表明,EtCz3EPA 能够有效地钝化界面缺陷,降低非辐射复合,并抑制钙钛矿中 A 位阳离子的迁移。此外,EtCz3EPA 还能够增强钙钛矿薄膜的结晶质量,提高器件的效率和稳定性。

结论与展望

该研究团队通过开发强键合空穴传输层材料 EtCz3EPA,有效地抑制了 PSCs 的紫外线降解,并显著提高了器件的长期稳定性。该研究结果为制备高效稳定的 PSCs 提供了新的思路,并为 PSCs 的实际应用,尤其是户外应用开辟了新的道路。

未来,可以通过进一步优化 HTL 材料的设计,以及结合其他界面工程策略,进一步提升 PSCs 的性能,例如:

l  探索其他强键合 HTL 材料,以进一步提升器件的效率和稳定性。

l  研究不同材料组合和界面修饰策略,以实现更高效的电荷传输和更稳定的器件。

l  开发具有更高透明度和更低成本的 HTL 材料,以满足大规模产业化应用的需求。

相信随着研究的深入,PSCs 的效率和稳定性将会得到进一步提升,并进而向未来产业化应用迈进,为全球能源转型贡献力量。

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参考文献: Strong-bonding hole-transport layers reduce ultraviolet degradation of perovskite solar cells Nat. Energy (2024). sCIENCE_ DOI: 10.1126/science.adi4531



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