泰思肯TOF-SIMS再次助力合作伙伴丨科研成果榮登頂刊《nature》

　　熱烈祝賀武漢大學(xué)研究成果榮登頂刊《Nature》。很榮幸泰思肯TOF-SIMS雙束電鏡-飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜聯(lián)用方案能對本研究工作提供技術(shù)支持。通過這種先進(jìn)的分析技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)研究團(tuán)隊(duì)能在微觀層面深入理解材料特性，從而實(shí)現(xiàn)全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池性能的顯著提升。了解更多電池開發(fā)解決方案，請?jiān)L問：zh.info.tescan.com/batteries

以下文章來源于研之成理公眾號

　　第一作者：Shun Zhou,Shiqiang Fu,Chen Wang

　　通訊作者：Guojia Fang，Weijun Ke

　　通訊單位：武漢大學(xué)

　　DOI：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-023-06707-z

　　研究背景

　　全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池有望超越單結(jié)太陽能電池的肖克利-奎塞爾(Shockley–Queisser)極限。然而，由于全鈣鈦礦串聯(lián)電池中混合錫鉛（Sn-Pb）窄帶隙子電池的性能和穩(wěn)定性不佳問題，目前這些電池的實(shí)際應(yīng)用受到了阻礙。

　　研究問題

　　本研究將重點(diǎn)放在窄帶隙子電池上，并為它們開發(fā)了一種一體化摻雜策略。本研究在聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸鹽)底層和鈣鈦礦層中引入鹽酸天冬氨酸鹽（AspCl），然后再進(jìn)行一次AspCl后處理。本研究表明，單一的AspCl添加劑就能有效地鈍化缺陷、減少Sn4+雜質(zhì)并移動費(fèi)米能級。此外，AspCl-Sn/Pb iodide和AspCl-AspCl的強(qiáng)分子鍵可以強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，從而提高錫鉛鈣鈦礦的穩(wěn)定性。最終，在摻入AspCl的銻鉛鈣鈦礦太陽能電池中，單結(jié)電池的功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.46%，串聯(lián)電池的功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到27.84%（27.62%已穩(wěn)定，27.34%已認(rèn)證），在充滿N2的手套箱中儲存2,000小時(shí)后，保留率達(dá)到95%。

　　圖文解析

圖1|NBG錫鉛鈣鈦礦中AspCl的制備與機(jī)理

　　要點(diǎn)：

　　1.本研究將手性鹽酸天冬氨酸（AspCl）分子摻入底部聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）PEDOT:PSS（PEDOT）、中間鈣鈦礦吸光層（Bulk）和頂部封頂層（POST）（圖1a），從而開發(fā)出一種一體化的Sn-Pb PSCs摻雜方法。AspCl分子由三個(gè)功能分子組成（圖1b）。Cl-陰離子可抑制碘空位的形成，氨基可與I-相互配合以減少捕獲態(tài)并抑制碘離子的遷移，羧基可與鉛和錫離子相互配合以抑制鈣鈦礦分解。

　　2.此外，兩個(gè)AspCl分子中的氨基和羧基可以通過分子間氫鍵相互結(jié)合，形成鈣鈦礦體薄膜的主體以及鈣鈦礦體/底部空穴傳輸層（HTL）和鈣鈦礦體/頂部蓋層的界面。因此，這種AspCl摻雜策略為鈣鈦礦創(chuàng)造了一個(gè)內(nèi)部分子鎖（圖1c），可以有效地鈍化表面缺陷并提高器件穩(wěn)定性。

　　3.為了評估AspCl在錫鉛鈣鈦礦器件中的有效性，本研究制作了單結(jié)錫鉛PSC（圖1d），并測試了它們在不同處理?xiàng)l件下的性能（圖1e）。經(jīng)過優(yōu)化，PEDOT、Bulk和POST處理的AspCl濃度分別為4 mg ml-1、0.2 mg ml-1和1 mol%。結(jié)果表明，AspCl的加入能顯著提高器件的性能。

圖2| NBG Sn-Pb 鈣鈦礦薄膜的表征

　　要點(diǎn)：

　　1.本研究進(jìn)行了一系列表征，以研究性能提升的因素。首先通過掃描電子顯微鏡(SEM)測量評估了薄膜的形態(tài)。如圖2a,b所示，所有薄膜的晶粒尺寸相似，但晶界存在明顯差異，原子力顯微鏡(AFM)測量也證實(shí)了這一點(diǎn)。對照薄膜在晶界處顯示出明亮的顆粒，主要是由于PbI2含量過高。值得注意的是，薄膜前驅(qū)體中使用了硫氰酸鉛來增大鈣鈦礦晶粒，這也是導(dǎo)致晶界出現(xiàn)過量PbI2的原因之一。然而，其他三個(gè)樣品都沒有顯示出過量的PbI2，這對提高器件性能是有益的，因?yàn)槿绻}鈦礦薄膜中沒有過量的PbI2，就會減少滯后行為，提高器件穩(wěn)定性。

　　2.為了進(jìn)一步研究薄膜的晶體質(zhì)量，本研究進(jìn)行了X射線衍射（XRD）測量。如圖2c所示，所有XRD圖譜都顯示出相似的特征峰和峰位，表明AspCl沒有改變晶體結(jié)構(gòu)。與掃描電鏡結(jié)果一致，只有對照樣品在12.7°處出現(xiàn)了一個(gè)額外的峰值，與PbI2的(001)峰值相對應(yīng)。因此，引入AspCl可減輕鈣鈦礦薄膜中PbI2的過剩存在。

　　3.紫外-可見（UV-vis）吸收光譜顯示，與對照樣品相比，含有AspCl的鈣鈦礦薄膜的吸收能力略強(qiáng)。這種增強(qiáng)主要?dú)w因于AspCl的引入改善了薄膜的質(zhì)量。飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）結(jié)果表明，雖然O-和Cl-分布在整個(gè)鈣鈦礦薄膜中（圖2d、e），但它們主要集中在頂部和底部界面，這是因?yàn)锳spCl-SnI2/PbI2和AspCl-AspCl的鍵合很強(qiáng)，這一點(diǎn)已通過DFT計(jì)算得到證實(shí)。對器件進(jìn)行的偏置和光浸泡穩(wěn)定性測試證實(shí)了AspCl阻止離子遷移的能力。

圖3| 單結(jié) NBG 錫鉛 PSC 的性能

　　要點(diǎn)：

　　1.根據(jù)上述結(jié)果，所得太陽能電池的性能得到了提高。圖3a展示了采用控制和目標(biāo)鈣鈦礦體薄膜的器件的橫截面SEM圖像，顯示了相似的形態(tài)。圖3b比較了性能最佳的對照器件和目標(biāo)器件的J-V曲線。根據(jù)反向（正向）電壓掃描測量，最佳控制PSC的J-V曲線得出的Jsc、Voc、填充因子(FF)和功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)分別為30.99(29.58)mA cm-2、0.81(0.81)V、72.35(65.69)%和18.20(15.74)%。相比之下，最佳目標(biāo)PSC的Jsc、Voc、FF和PCE值均有顯著改善，分別為31.69(31.77)mA cm-2、0.89(0.88)V、79.90(77.96)%和22.46(21.80)%。一家獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室也認(rèn)證了21.72%的超高PCE。根據(jù)對照電池和目標(biāo)電池的外部量子效率(EQE)曲線得出的綜合Jsc值分別為30.47 mA cm-2和31.51 mA cm-2（圖3c），與根據(jù)J-V曲線得出的Jsc值一致（圖3b）。

　　2.相應(yīng)的控制器件和目標(biāo)器件在最大功率點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)輸出（SPO）效率分別為15.91%和22.14%（圖3d），這也與J-V曲線（圖3b）確定的數(shù)值一致。除了效率，AspCl修飾還提高了太陽能電池的穩(wěn)定性。圖3e所示的器件在恒定1太陽光照下的最大功率點(diǎn)（MPP）跟蹤穩(wěn)定性測試表明，在55℃、充滿氮?dú)獾氖痔紫渲泄ぷ?00小時(shí)后，未封裝的目標(biāo)器件保持了80%的初始效率。相比之下，對照器件在相同條件下只運(yùn)行了30小時(shí)就保持了80%的原始效率。

　　3.圖3f顯示了封裝并儲存在充滿N2的手套箱中的裝置的儲存穩(wěn)定性。在室溫下存放2,000小時(shí)后，目標(biāo)樣品的PCE下降到原始值的92%，而對照器件的PCE在相同條件下僅存放750小時(shí)后就已下降到原始值的80%。這些結(jié)果表明，添加AspCl能顯著提高錫鉛PSC的效率和穩(wěn)定性。

圖4| 2T 全長晶串聯(lián)太陽能電池的性能

　　要點(diǎn)：

　　1.本研究使用NBG Sn-Pb PSCs作為底部子電池，WBG（FA0.8Cs0.2PbI1.8Br1.2）PSCs作為頂部子電池，制作了單片兩端（2T）全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池（圖4a,b）。最終，在反向（正向）電壓掃描下測量（圖4c），本研究的性能最好的串聯(lián)器件顯示出16.02(16.06)mA cm-2的高Jsc、2.11(2.12)V的Voc、82.20(78.47)%的FF和27.84(26.75)%的PCE，以及27.62%的SPO效率（圖4d）。一家獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室也證明，反向和正向電壓掃描的效率分別為27.34%和27.12%。底部NBG和頂部WBG子電池的Jsc值由EQE光譜綜合得出（圖4e），與J-V測量和認(rèn)證結(jié)果得出的Jsc值一致。

總結(jié)與展望

　　本研究設(shè)計(jì)的鈣鈦礦太陽能電池具有的長期運(yùn)行穩(wěn)定性和貨架儲存穩(wěn)定性。在55℃、1個(gè)太陽持續(xù)照射380小時(shí)后，未封裝串聯(lián)器件的PCE保持了原始PCE的80%。此外，經(jīng)過封裝的串聯(lián)器件在室溫下的氮?dú)猸h(huán)境中存放2,000小時(shí)后，其PCE仍保持了初始PCE的95%，這表明該器件具有在未來生產(chǎn)高效率、高穩(wěn)定性串聯(lián)太陽能電池的潛力。

　　在這一里程碑式的研究成果中，可以看到泰思肯TOF-SIMS技術(shù)在材料科學(xué)研究中的關(guān)鍵作用。隨著這一技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用，泰思肯將繼續(xù)為實(shí)現(xiàn)清潔能源的廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。再次祝賀武漢大學(xué)的卓越成就，并期待他們在未來的科研道路上繼續(xù)引領(lǐng)創(chuàng)新。

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