Science发文！滨松助力钙钛矿太阳能电池效率与稳定性双突破
浏览量(19)
提到太阳能电池，不少人会想到屋顶上的硅基板 —— 但现在，一种叫 “钙钛矿” 的材料正在改写光伏行业的规则。这种材料既像塑料一样轻便，又可以实现批量生产，效率却能和传统硅电池掰手腕。不过，钙钛矿有个头疼的问题：不够 “扛造”，长期使用后效率会明显下降。
最近，中科院长春应化所发表在国际顶级期刊《Science》的研究给出了新方案：以传统闭壳层分子MeO-2PACz为对照，设计了两种新型双自由基SAMS，RS-1和RS-2，旨在进一步提升钙钛矿光伏器件的性能。通过“共面共轭的给体-受体”策略，开发出具有双自由基结构的自组装分子，以促进载流子在SAMs中的高效空穴传输。
图1 双自由基 SAM 的设计
研究团队系统地研究了自组装分子的电化学特性，发现它们的空穴传输性能和稳定性密切相关。他们采用传统的溶液循环伏安测试表明，RS-1和RS-2等双自由基SAMs具有良好的扩散控制和化学稳定性（图2A、2B）。但这也不能准确地反映它们在ITO基底上作为空穴传输层的实际性能。
随后，研究团队采用了扫描电化学显微-薄层循环伏安技术，系统评估了ITO/SAMs的真实稳定性、空穴转移速率和组装密度（图2C）。
图2 用于评估 SAM 的稳定性、载流子传输速率以及组装密度和均匀性的电化学技术
结果显示，相比传统MeO-2PACz，RS-1和RS-2在连续25次CV循环后活性位点保留率分别高达67%和71%，远优于MeO-2PACz的21%（图2D）。进一步引入碘化铅（PbI₂）模拟实际应用中的碘离子侵蚀，发现RS-1和RS-2的活性位点依然保持在61%和64%，而MeO-2PACz降至仅4%（图2E）。液质联用分析确认了碘化反应的发生。SECCM-TLCV技术还揭示，RS-1和RS-2的载流子转移速率约为MeO-2PACz的两倍（图2F），且组装密度与均匀性也更好（图2G），为大面积溶液工艺奠定了基础。这些结果充分证明了我们设计的双自由基SAMs在导电性、稳定性和加工性方面的综合优势。
科研人员通过理论计算和实验系统研究了不同自组装分子之间的相互作用，结果显示RS-1 和 RS-2 的二聚能明显高于传统 MeO-2PACz，说明它们分子间堆积更弱、溶解性更好(图3A)。
图3 SAM 对钙钛矿的影响（本实验的光致发光量子产率（PLQY）通过配备积分球的滨松（HAMAMATSU）光致发光量子产率仪进行分析）
接触角和XPS测试表明，RS-1和 RS-2 形成的SAM层主要由共价锚定分子组成，而MeO-2PACz则存在大量堆积结构，导致其组装密度和均匀性较差。
进一步模拟发现，RS-2顶部的甲氧基结构不仅有利于与钙钛矿结合，还通过空间位阻提升了结合能，有助于获得更好的钙钛矿沉积效果。在RS-2上沉积的钙钛矿薄膜晶粒尺寸更大，结晶性和吸收性能与其他样品相当。
然而，荧光测试(图3B)显示RS-2上的钙钛矿薄膜具有更强的PL强度和10.1%的PL量子效率，表明薄膜缺陷更少质量更好。TRPL测试进一步证实，RS-2样品的空穴提取效率和缺陷钝化效果优于其他对比组(图3C)。此外，UPS分析揭示，RS-2组装层引入的偶极提升了ITO表面的功函数和价带能级(图3D)，有利于空穴的有效提取。综合来看，RS-2兼具优异的组装性能、空穴传输能力、稳定性和钙钛矿薄膜质量(图3E)。
图4 PSC 的光伏性能
研究团队利用RS-2制备了高性能钙钛矿太阳能电池，其效率最高达26.3%，明显优于传统MeO-2PACz(23.5%)和RS-1(25.5%)(图4A)。RS-2器件通过提升空穴传输、抑制非辐射复合，带来了更高的开路电压和填充因子，且漏电流低、复合少：
在大面积10.04cm2组件中，RS-2同样展现出优异溶液加工适应性，PCE高达23.6%，远超MeO-2PACz(18.6%)(图4C)。
长期稳定性方面，RS-2基PSC在45℃连续光照2000小时后仍保持97%效率(图4E)，且耐腐蚀，结构稳定。即使在85℃高温高湿条件下工作960小时，RS-2器件仍有92%效率，组件保持96%。
RS-2在1cm2宽带隙PSCs中效率超21.4%(图4F)，在钙钛矿-硅叠层电池中效率突破34.2%，并通过NREL认证(图4G、4H)，性能处于领先且稳定可靠。
有机自组装分子已广泛应用于倒置结构钙钛矿太阳能电池和叠层器件中，但要推动钙钛矿光伏技术进一步发展，仍需提升SAM的空穴导电性、化学稳定性和大面积溶液加工性能。
研究团队开发的新型二自由基SAM同时解决了这些问题。二自由基结构有效改善了载流子传输性能，分子立体位阻设计不仅稳定了自由基，还显著提升了膜层的均匀性和大面积加工能力。这些优势通过高精度的SECCM-TLCV技术得到了清晰验证。
1、主要性能指标 波长范围 光致发光测量波长范围为300-950 nm，借助新设计的选件可将测量范围扩展至1650 nm，突破了传统技术无法测试300-1650 nm大范围量子产率的瓶颈。 光源 采用 150 W 氙灯作为单色光源，激发波长范围为250-950 nm，带宽约2-5 nm(随狭缝变化)，且激发波长可自动控制。此外，还可配备 980 nm 固体激光器等(可根据有用户需求配置其它波长激光器)，用于特定的测量需求，如NIRI区荧光 PLQY及上转换材料测量。 探测器 采用 BT-CCD 线性图像传感器作为探测器，测量波长范围为200-950 nm，波长分辨率小于 2 nm，感光器件通道数为1024ch，A/D 分辨率为16bit，能实现高精度的光谱测量。 2、核心测量功能 可测量光致发光量子效率，能快速、准确地得到样品的绝对量子产率。 进行荧光材料发光测量（量子效率 × 吸收），帮助研究人员了解材料的发光机制和性能。 测量光致发光谱，包括峰值波长、半高宽（FWHM）等参数，为材料的光学特性分析提供依据。 实现色彩测定，如色度、色温、显色指数等，对于评估发光材料在照明和显示等领域的应用具有重要意义。 3、样品类型 可分析薄膜、固体、粉末和溶液等不同形式的样品，借助杜瓦瓶支架，溶液样品可通过液氮冷却至 - 196°C（77K），便于研究低温下的发光特性。 4、应用领域 在材料科学领域，可用于提高各类发光材料（如有机电致发光材料、白色 LED 及 FPD 的荧光体）的品质，研究有机金属络合物，以及评估染料敏化太阳能电池的基本特性。 在生物领域，可用于对荧光探针效率的测试，为生物医学研究和应用提供支持。 5、产品优势 修正了自吸收和再发射对 PLQY 测量精度的影响，特别是对于吸收和荧光带基本上重叠的化合物，能更准确地测量量子产率。 具有极高的灵敏度，可满足低量子产率至 1% 或更低的应用，精确至 0.01%。 仪器操作简单，对话式专用软件简化了测量过程，能自动控制激发波长，并自动测量量子产率和激发光谱的波长依赖性。
福利放送：来为你的得力伙伴添一件防尘衣吧~
对于实验室设备来说，长时间不注意防尘，可能会对其工作造成一定影响。为了帮助Quantaurus系列产品的用户做好日常的设备防尘工作，我们为全系列产品定制了专用防尘罩，免费赠送给本产品用户，赶快来领用吧~
分享至好友和朋友圈
免责声明：
网站内容来源于互联网、原创，由网络编辑负责审查，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的，请在 20个工作日内与我们取得联系，联系方式：021-80198330。网站及新媒体平台将加强监控与审核，一旦发现违反规定的内容，按国家法规处理，处理时间不超过24小时。
沪公安网备 31011402003710号