港城市Alex Jen團隊反式鈣鈦礦太陽能電池缺陷鈍化策略：從材料到器件模塊化

更新時間：2024-07-02 點擊次數(shù)：2147

反式鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）其（p-i-n結(jié)構(gòu)）是一種特殊結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池，其結(jié)構(gòu)通常包含以下幾層：基底：通常為導(dǎo)電玻璃，如FTO或ITO; 電子傳輸層（ETL），常用材料如二氧化鈦（TiO2）或PCBM，作用是傳輸電子; 鈣鈦礦活性層，光吸收和電子-空穴對生成的主要區(qū)域，通過優(yōu)化鈣鈦礦材料，可以提高電池的效率; 空穴傳輸層（HTL）;及頂電極：通常為金屬，如金或銀，用于收集電流。
因其低滯后效應(yīng)、成本效益和適合串聯(lián)應(yīng)用等優(yōu)勢而備受關(guān)注。然而，鈣鈦礦材料的溶液制備過程和較低的形成能使得在鈣鈦礦層體相和界面處不可避免地形成大量缺陷。這些缺陷會作為非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重阻礙載流子傳輸，對器件的穩(wěn)定性和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）提升構(gòu)成巨大障礙。本文將深入探討缺陷的本質(zhì)和起源，以及缺陷識別技術(shù)，并系統(tǒng)總結(jié)反式 PSCs 中鈣鈦礦薄膜界面和體相缺陷的檢測方法和鈍化策略，最后展望缺陷鈍化工程在鈣鈦礦模塊化制備中的應(yīng)用前景。

【缺陷的本質(zhì)與起源】

鈣鈦礦材料中的缺陷主要包括點缺陷、晶界缺陷和界面缺陷。

l點缺陷：主要包括空位缺陷、間隙缺陷和反位缺陷。例如，甲胺鉛碘（MAPbI3）中的碘空位（VI）和鉛空位（VPb）會導(dǎo)致材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而降低器件的性能。

l晶界缺陷：是指不同晶粒之間的界面，通常存在較高的缺陷密度，例如晶界處的空位、間隙和反位缺陷。這些缺陷會導(dǎo)致載流子在晶界處發(fā)生復(fù)合，降低器件的效率。

l界面缺陷：是指鈣鈦礦層與其他層（如電子傳輸層、空穴傳輸層）之間的界面，也存在較高的缺陷密度，例如界面處的空位、間隙和原子錯配。這些缺陷會導(dǎo)致電荷在界面處發(fā)生復(fù)合，降低器件的效率和穩(wěn)定性。

鈣鈦礦材料缺陷的形成主要與以下因素有關(guān)：

l材料本身的性質(zhì): 鈣鈦礦材料本身的化學(xué)性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)決定了其缺陷形成的可能性。

l制備工藝: 溶液制備過程中，溶劑、溫度、反應(yīng)時間等因素都會影響鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，從而影響缺陷的形成。

l器件結(jié)構(gòu): 器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，例如電子傳輸層和空穴傳輸層的選擇，也會影響鈣鈦礦層的缺陷密度。

【缺陷鈍化策略】

l界面鈍化

界面鈍化是指通過引入鈍化劑來修飾鈣鈦礦層與其他層之間的界面，減少界面缺陷密度，提高電荷傳輸效率。

i. 有機分子鈍化: 例如使用PEA或甲胺（MA）等有機分子，這些分子可以與鈣鈦礦層的表面形成強配位鍵，填補缺陷，降低非輻射復(fù)合。

ii.無機分子鈍化: 例如使用鹵化物（如碘化物、溴化物）或氧化物（如氧化鋁、氧化鈦）等無機分子，這些分子可以與鈣鈦礦層的表面形成化學(xué)鍵，降低缺陷密度。

l 體相鈍化

體相鈍化是指通過引入鈍化劑來修飾鈣鈦礦層的體相，降低體相缺陷密度，提高材料的穩(wěn)定性。

i. 鹵化物摻雜: 例如使用碘化銫 (CsI) 或溴化銫 (CsBr) 等鹵化物進行摻雜，可以降低鈣鈦礦層的缺陷密度，提高器件的穩(wěn)定性和效率。

ii. 有機陽離子摻雜: 例如使用PEA 或甲胺 (MA) 等有機陽離子進行摻雜，可以提高鈣鈦礦層的結(jié)晶質(zhì)量，降低缺陷密度。

【缺陷鈍化工程在鈣鈦礦模塊化制備中的應(yīng)用前景】

l 規(guī)模化制備面臨的挑戰(zhàn)

鈣鈦礦太陽能電池模塊化制備面臨以下挑戰(zhàn)：

i. 缺陷控制: 大面積器件的制備更加容易引入缺陷，因此需要更有效的缺陷鈍化策略。

ii. 工藝穩(wěn)定性: 大面積器件制備過程中需要保證工藝的穩(wěn)定性，確保器件性能的均一性。

iii. 材料成本: 需要降低材料成本，以降低模塊化的制造成本。

l 缺陷鈍化工程的應(yīng)用

缺陷鈍化工程可以有效解決上述挑戰(zhàn)，例如：

i. 使用原位鈍化策略: 原位鈍化可以簡化制備流程，提高缺陷鈍化的效率，更適合大面積制備。

ii. 開發(fā)低成本鈍化材料: 研究人員正在開發(fā)低成本的鈍化材料，例如有機分子、無機納米材料和聚合物等，以降低模塊化的制造成本。

iii. 采用可擴展的制備技術(shù): 采用可擴展的制備技術(shù)，例如卷對卷印刷、刮刀涂布等，可以實現(xiàn)大面積器件的快速制造。

【總結(jié)與展望】

本文概述了反式 PSCs 中鈣鈦礦薄膜的缺陷本質(zhì)、起源和表征技術(shù)，并總結(jié)了界面和體相缺陷的鈍化策略。缺陷鈍化工程是提高反式 PSCs 效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵，其在鈣鈦礦模塊化制備中具有巨大的應(yīng)用潛力。

研究團隊: 該研究由香港城市大學(xué) Alex Jen 任廣禹教授團隊完成。

任廣禹教授是香港城市大學(xué)李兆基講座教授，同時也是化學(xué)與材料科學(xué)系講座教授。他曾于2016年至2020年間擔(dān)任城大教務(wù)長。任教授在中國臺灣國立清華大學(xué)獲得學(xué)士和博士學(xué)位，并在美國賓州大學(xué)進行研究。在加入城大之前，他曾在華盛頓大學(xué)擔(dān)任波音-Johnson講座教授和材料科學(xué)與工程系系主任，并被任命為清潔能源研究所科學(xué)家。

任教授發(fā)表了超過1000篇論文，引用次數(shù)超過87,000次，H指數(shù)為151。他的研究涵蓋光子學(xué)、能源、傳感器和納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。他是歐洲科學(xué)院和華盛頓州科學(xué)院院士，也是多個專業(yè)協(xié)會的會員。2018年，他被評為鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域研究人員之一，并連續(xù)被評為具影響力的科學(xué)思想家和高被引科學(xué)家。

2021年，任教授獲得城大的“杰出研究獎"，并被任命為中國教育部長江學(xué)者特聘教授、浙江大學(xué)杰出講座教授等。他創(chuàng)辦了五家新創(chuàng)公司，展示了強大的技術(shù)轉(zhuǎn)移能力，并創(chuàng)立了城大清潔能源研究所和華盛頓大學(xué)先進能源材料研究所（i-AME）。

Alex Jen團隊主要研究方向：

l 有機及有機-無機混合材料：開發(fā)用于光電子學(xué)、電子學(xué)和光子學(xué)的材料。

l 太陽能電池：專注于鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)，以提高其效率和穩(wěn)定性。

l 傳感器和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備：利用先進材料制造高靈敏度的傳感器和用于生物醫(yī)學(xué)的設(shè)備。

l 光電組件：設(shè)計和合成新型材料以改善光電轉(zhuǎn)換效率。

l 能源材料：研究能量存儲和轉(zhuǎn)換材料，包括電池和燃料電池。

l 材料科學(xué)中的動態(tài)成像：利用高時空分辨率掃描電子顯微鏡進行多模態(tài)動態(tài)成像研究。

【本研究參數(shù)圖】

港城市Alex Jen團隊反式鈣鈦礦太陽能電池缺陷鈍化策略：從材料到器件模塊化