《Angew》用于高效穩(wěn)定鈣鈦礦光伏的氟化聚酰亞胺隧道層
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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。
文章DOI： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202402904 （點(diǎn)擊文末“閱讀原文”直達(dá)鏈接）
鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高轉(zhuǎn)化效率和潛在的低成本，一直以來都是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。然而，盡管在提高光電轉(zhuǎn)換效率方面取得了顯著進(jìn)展，PSCs的長期穩(wěn)定性問題仍然是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的一個(gè)主要障礙。鈣鈦礦材料的固有特性，包括在晶界和表面存在的高密度缺陷，導(dǎo)致了非輻射復(fù)合，這不僅降低了設(shè)備的效率，而且在長期運(yùn)行中還會導(dǎo)致穩(wěn)定性的惡化。此外，為了進(jìn)一步提高效率和穩(wěn)定性，需要采用有效的策略來減少電荷在界面的捕獲和積累，這可以通過場效應(yīng)鈍化（FEP）來實(shí)現(xiàn)，它通過在界面引入介電材料來提高鈣鈦礦層的工作函數(shù)，從而改善電荷傳輸效率。因此，開發(fā)新的材料和技術(shù)以實(shí)現(xiàn)FEP，對于提高PSCs的性能和可靠性至關(guān)重要。
1. 本研究中，作者設(shè)計(jì)并合成了一種新型含氟聚酰亞胺（FPI: 6FDA-6FAPB），用作鈣鈦礦層和空穴傳輸層（HTL）之間的界面層。
2. FPI的功能基團(tuán)在鈍化器件內(nèi)部界面缺陷中起著關(guān)鍵作用，由于其高工作函數(shù)，展現(xiàn)出作為界面層的場效應(yīng)鈍化能力，能夠有效減少界面的非輻射復(fù)合。
3. 優(yōu)化后的PSCs實(shí)現(xiàn)了24.61%的**光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），并表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，該結(jié)果表明FPI在提高設(shè)備性能和可靠性方面具有重要作用。
由6FDA和6FAPB制備FPI聚合物，通過核磁氫譜、氟譜以及傅里葉變換紅外光譜（FTIR）進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，其合成路線及核磁氫譜如圖1所示。
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圖1. (a) 6FDA-6FAPB聚酰亞胺的合成路線，(b) 聚酰亞胺的核磁氫譜。
利用FTIR、XPS和KPFM技術(shù)研究了FPI與PbI2及鈣鈦礦膜的相互作用，發(fā)現(xiàn)FPI可以鈍化鈣鈦礦表面的離子缺陷。
圖2. (a) 純FPI和含PbI2粉末FPI的FTIR譜圖, (b) 對照和FPI覆蓋薄膜的的Pb4f和I3d XPS圖。
利用密度泛函理論（DFT）計(jì)算了FPI的前沿分子軌道，分析了FPI與鈣鈦礦界面的電子密度差異，以此證實(shí)了FPI的化學(xué)鈍化效果。
圖3. 理論計(jì)算輔助鈍化分析。
4. 隧道效應(yīng)研究
通過導(dǎo)電原子力顯微鏡（c-AFM）測量了鈣鈦礦/FPI界面的局部暗電流，發(fā)現(xiàn)FPI層雖然絕緣，但能夠允許空穴通過隧道效應(yīng)有效傳輸。
圖4.絕緣FPI層的隧穿效應(yīng)。
通過穩(wěn)態(tài)和實(shí)踐分辨的光致發(fā)光（PL和TRPL）測量，研究了FPI層對載流子動(dòng)力學(xué)的影響。研究表明，F(xiàn)PI覆蓋的鈣鈦礦膜具有更長的載流子壽命和更低的非輻射復(fù)合。
圖5.絕緣FPI層存在下的載流子動(dòng)力學(xué)。
6. 器件性能
基于FPI鈍化層的PSCs在標(biāo)準(zhǔn)AM 1.5G照明下PCE、Voc和FF均提高，重復(fù)性良好，遲滯現(xiàn)象低。
圖6.器件的結(jié)構(gòu)和性能。
7. 穩(wěn)定性測試
在氮?dú)夂涂諝猸h(huán)境下對基于FPI的PSCs進(jìn)行了長期的穩(wěn)定性測試，結(jié)果表明FPI層顯著提高了器件的穩(wěn)定性。
圖7.器件的物理性能和穩(wěn)定性。
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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。
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