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導(dǎo)言
隨著對高效太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷探索，寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池（WBG-PSCs）因其在構(gòu)建高效疊層光伏器件中的潛力而備受關(guān)注。然而，混合鹵化物鈣鈦礦在光照下易發(fā)生鹵化物分離（PIHS），這一現(xiàn)象嚴重制約了器件的穩(wěn)定性。近期，華東理工大學(xué)的吳永真團隊在《Chemical Science》期刊上發(fā)表了一項突破性研究成果，揭示了有機空穴選擇材料（HSMs）中的甲氧基（MeO）團與寬禁帶鈣鈦礦的PIHS現(xiàn)象之間存在著密切關(guān)聯(lián)。通過一系列實驗和理論計算，研究團隊發(fā)現(xiàn)含MeO團的HSMs會加劇鈣鈦礦中的PIHS，而去除MeO團則能顯著提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率和運行穩(wěn)定性。該發(fā)現(xiàn)為疊層光伏器件中寬帶隙鈣鈦礦的穩(wěn)定應(yīng)用提供了關(guān)鍵的材料設(shè)計指導(dǎo)。
分享一篇來自華東理工大學(xué)吳永真團隊的新研究成果，本文以“Correlating halide segregation of wide-bandgap perovskites with the methoxy group in organic hole-selective materials”為題發(fā)表于期刊Chemical Science，原文鏈接：https://doi.org/10.1039/d4sc08810g。希望對您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。
正文
能量級匹配提升寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池性能研究團隊針對帶隙為1.76 eV的寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池（WBG-PSCs），開發(fā)了一系列基于氰基乙烯基磷酸（CPA）的分子HSMs，通過精細調(diào)控三苯胺端基的取代基（MeO、甲基（Me）和氫（H）），優(yōu)化了HSMs與鈣鈦礦的能級匹配。實驗表明，隨著三苯胺取代基的電子供體能力逐漸減弱（從MeO到Me再到H），HSMs的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級逐漸加深。其中，單甲基取代的Me/HPA-CPA與1.76 eV鈣鈦礦的價帶（VB）邊緣能級匹配最佳，基于該HSM的WBG-PSCs實現(xiàn)了高達21%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），相較于其他結(jié)構(gòu)類似的HSMs展現(xiàn)出最為優(yōu)異的性能。
甲氧基團加速鹵化物分離的發(fā)現(xiàn)
針對1.76 eV鈣鈦礦易發(fā)生PIHS的問題，研究團隊利用原位光致發(fā)光（PL）測量技術(shù)，對比了不同HSMs上沉積的鈣鈦礦薄膜在光照下的動態(tài)行為。結(jié)果顯示，所有含MeO團的HSMs均表現(xiàn)出嚴重的PIHS現(xiàn)象，并伴隨有新的碘富集（I-rich）相的產(chǎn)生。相比之下，不含MeO團的HSMs僅表現(xiàn)出PL發(fā)射的紅移，而無新相生成?；谏虡I(yè)PACz系列和實驗室合成的咔唑基HSMs的進一步驗證表明，含MeO團的HSMs與更嚴重的PIHS密切相關(guān)。溫度依賴的PL實驗和密度泛函理論（DFT）計算表明，MeO團與鈣鈦礦的接觸能夠降低鹵化物離子的擴散能壘，從而加速PIHS過程。
圖1 （a）光致發(fā)光（PL）實驗示意圖。（b）在MPA-CPA和（c）在Me/HPA-CPA上沉積的1.76 eV鈣鈦礦在光照射20分鐘后的光致發(fā)光光譜。（d）利用MPA-CPA、M/MePA-CPA、M/HPA-CPA、MePA-CPA、Me/HPA-CPA和TPA-CPA作為HSMs，跟蹤1.76 eV鈣鈦礦在20分鐘內(nèi)的光致發(fā)光光譜變化。比例尺表示鈣鈦礦薄膜的歸一化光致發(fā)光強度，虛線表示碘富相的出現(xiàn)。
MeO團影響PIHS的機制研究
研究團隊通過不同溫度下的原位PL測量，結(jié)合阿倫尼烏斯方程分析，發(fā)現(xiàn)含MeO團鈣鈦礦的PIHS活化能約為0.47 eV，低于不含MeO團鈣鈦礦的0.81 eV。這表明MeO團的存在顯著降低了PIHS的熱力學(xué)活化障礙。進一步的實驗中，通過在HSMs表面沉積聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄層以阻隔HSMs與鈣鈦礦的直接接觸，有效抑制了PIHS現(xiàn)象。DFT計算詳細剖析了鹵化物離子在含MeO團和不含MeO團鈣鈦礦表面的擴散路徑，證實了MeO團的電子富集特性對鹵化物離子遷移的促進作用。
圖2 （a）在不同HSMs上沉積的鈣鈦礦薄膜中PIHS的活化能。（b）在MPA-CPA或MPA-CPA/PMMA上沉積的鈣鈦礦在光照20分鐘后的歸一化PL強度。（c）在MPA-CPA和TPA-CPA混合HSMs上沉積的1.76 eV鈣鈦礦薄膜在光照20分鐘后的PL光譜。（d）MPA-CPA/鈣鈦礦模型和（e）TPA-CPA/鈣鈦礦模型中包含鹵素空位（VI?）的初始界面結(jié)構(gòu)，分子的MeO基團在表面頂部上方1.554 Å的高度。（f）DFT計算鹵素離子遷移到相鄰鹵素空位的離子擴散活化能。
PIHS對器件穩(wěn)定性的影響
研究發(fā)現(xiàn)，在Me/HPA-CPA基WBG-PSCs中，由于PIHS得到有效抑制，器件展現(xiàn)出更優(yōu)的運行穩(wěn)定性。在國際有機光伏穩(wěn)定性峰會（ISOS）標(biāo)準(zhǔn)測試下，Me/HPA-CPA基器件在約650小時后仍能保持初始效率的90%，而含MeO團的MPA-CPA基器件在相同條件下僅維持了約340小時便下降至初始性能的80%。這一結(jié)果凸顯了去除HSMs中MeO團對于提升混合鹵化物寬禁帶鈣鈦礦器件穩(wěn)定性的重要作用。
圖3 （a）和（b）基于MPA-CPA和Me/HPA-CPA的器件在0.10 V s-1掃描速率下30次正反掃描周期的J–V曲線。（c）在光照條件下（氙燈，1個太陽），基于Me/HPA-CPA的器件在50分鐘內(nèi)J–V曲線和（d）PL光譜的變化。（e）在氮氣條件下，基于MPA-CPA和Me/HPA-CPA的寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池（WBG-PSCs）的操作穩(wěn)定性。其中，基于MPA-CPA和Me/HPA-CPA的WBG-PSCs的初始PCE分別為18.9%和20.3%。
本文中使用的光電測試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)。DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)合了北京卓立漢光儀器有限公司給多家科研單位定制的光譜響應(yīng)系統(tǒng)的特點和經(jīng)驗，采用國家標(biāo)準(zhǔn)計量方法進行全自動測試，是光電器件、光電轉(zhuǎn)換材料的光譜響應(yīng)性能研究的必備工具。
結(jié)論
本研究系統(tǒng)地揭示了HSMs中MeO團對寬禁帶鈣鈦礦PIHS現(xiàn)象的顯著影響，證實了MeO團的存在會降低鹵化物離子擴散能壘，加速鈣鈦礦中的鹵化物分離。基于此發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出在設(shè)計寬禁帶鈣鈦礦相關(guān)光電器件的界面材料時應(yīng)避免使用MeO團，以期從根本上減輕PIHS現(xiàn)象，從而提高器件的運行穩(wěn)定性。該研究為鈣鈦礦基疊層光伏器件的穩(wěn)定運行提供了關(guān)鍵的材料設(shè)計策略。
通訊作者及其團隊介紹
吳永真，華東理工大學(xué)教授，研究方向為有機光電材料與器件、分子工程等。其領(lǐng)導(dǎo)的團隊在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得了多項重要成果，為推動鈣鈦礦太陽能電池的性能提升和穩(wěn)定性增強做出了重要貢獻。
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本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)。如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢。
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