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32.45%钙钛矿/硅叠层电池:基于π-π相互作用实现效率与稳定性双提升
日期:2026-05-08浏览量:15
在反式钙钛矿太阳能电池中,自组装分子(SAM)作为空穴选择层具有成本低、可溶液加工、能级可调等优点,已助力单结电池效率达到27.3%,钙钛矿/硅叠层电池效率超过34.85%。然而,SAM材料因其两亲性分子结构,在常用溶剂中容易形成胶束,导致薄膜不均匀、堆积无序,进而增加界面非辐射复合,限制效率和稳定性的进一步提升。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源,可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围,进行长期的稳定性能测试。
本研究人员尝试了共溶剂、分子掺杂、共SAM等多种策略,但最根本的途径是通过分子设计内在抑制聚集。关键在于调控π-π相互作用:过度堆积会导致聚集,适度堆积则有助于形成致密有序的多层结构,促进垂直方向电荷传输。基于此,本文合成了Me-Ph2mPACz,其苯环连接臂的间位对称连接两个二甲基咔唑单元。
分子设计策略
分子设计
为解决上述问题,研究者设计了一种新型SAM材料——Me-Ph2mPACz。该分子在苯环连接臂的间位对称连接两个二甲基咔唑单元。与单取代咔唑SAM(Me-PhpPACz)相比,Me-Ph2mPACz展现出以下优势:
更强的吸附能力:DFT计算显示,Me-Ph2mPACz在NiOₓ上的吸附能更高(3.41 eV vs. 2.46 eV),有利于形成稳定的锚定。
更大的偶极矩:1.27 Debye vs. 1.18 Debye,有助于能级调控。
更连续的π-π相互作用:分子结构更平面化,能够形成贯穿整个二聚体的连续π-π堆积,同时削弱膦酸锚定基团之间的氢键作用,从而抑制胶束形成。
自组装行为与薄膜结构表征
动态光散射(DLS)结果显示,Me-PhpPACz溶液中存在数百纳米的宽分布聚集体,而Me-Ph2mPACz的聚集体尺寸小于10 nm,表明其更易于形成均匀薄膜。
X射线衍射(XRD)和掠入射广角X射线散射(GIWAXS)进一步揭示:
Me-Ph2mPACz薄膜在约8°处出现明显衍射峰,表明其堆积更为有序。
在面外方向,Me-Ph2mPACz呈现尖锐的π-π堆积衍射点,而Me-PhpPACz则显示多个弥散弧,说明后者堆积无序。
研究者认为,Me-Ph2mPACz形成了由锚定层和上层π-π堆积层组成的多层结构,其中上层对性能起主导作用。
SAM对钙钛矿层的影响
SAMs 的性质及其对钙钛矿的影响
Me-Ph2mPACz薄膜具有更高的分子面密度(3.06×10¹³ cm⁻² vs. 2.00×10¹³ cm⁻²),表面更均匀(粗糙度更低,电位分布更均一),接触角更大(88.9° vs. 74.2°),更有利于后续钙钛矿沉积。
在此基础上生长的钙钛矿薄膜表现出:
更平滑的表面和更少的PbI₂残留
更少的垂直晶界
残余应力显著降低(从压应力-0.17趋近于无应力状态)
原位光致发光(PL)监测表明,Me-Ph2mPACz促进了钙钛矿的快速成核并延缓了晶化过程,从而释放了薄膜内部的残余应力。这一机制归因于其形成的小尺寸、均匀溶液聚集体在沉积后易于解离,形成致密有序的多层结构。
热稳定性与分子耐久性
热重分析显示,Me-Ph2mPACz的5%热分解温度为440 °C,远高于Me-PhpPACz的316 °C。在85 °C老化1000小时后,Me-Ph2mPACz薄膜的结晶信号和形貌几乎无变化,而Me-PhpPACz薄膜出现明显脱附和团聚。XPS冲洗实验进一步证实,Me-Ph2mPACz具有更强的抗热和抗溶剂能力。
载流子动力学与界面特性
钙钛矿的载流子动力学
能级分析表明,Me-Ph2mPACz的电离能(5.37 eV)与钙钛矿(5.38 eV)高度匹配,减少了空穴传输势垒。真空能级位移从0.01 eV(Me-PhpPACz)提高到0.12 eV(Me-Ph2mPACz),归因于其面-上堆积形成的垂直偶极。
时间分辨PL(TRPL)显示,Me-Ph2mPACz的界面电荷提取更快(τ₁更短),非辐射复合被抑制(τ₂更长)。飞秒瞬态吸收(fs-TA)进一步验证了空穴转移的加速。准费米能级分裂(QFLS)从1.264 eV提升至1.318 eV,电致发光外量子效率(EQEEL)从0.15%提升至0.82%,相应的非辐射VOC损失从168 mV降至124 mV。
器件性能
光伏性能与稳定性
单结器件(1.68 eV宽带隙钙钛矿电池):
Me-Ph2mPACz基冠军器件PCE达23.14%,VOC为1.26 V,JSC为21.54 mA cm⁻²,FF为85.3%,迟滞可忽略;而Me-PhpPACz基冠军器件PCE为21.82%。统计数据显示Me-Ph2mPACz器件在VOC和FF上均有系统提升,理想因子更低(1.49 vs. 1.74),暗电流更小。
钙钛矿/硅叠层器件:
将上述顶电池与硅异质结底电池集成,Me-Ph2mPACz基叠层器件的冠军PCE达33.40%(反向扫描),稳定效率33.17%,经NREL认证为32.45%。相比之下,Me-PhpPACz叠层器件冠军PCE为32.35%。
稳定性
单结器件:未封装条件下,在N₂氛围、25 °C、1-sun LED下MPPT追踪1000小时后,Me-Ph2mPACz器件保持95%初始效率。
叠层器件:封装后在85 °C空气中连续1-sun光照1000小时,Me-Ph2mPACz器件仍保持83%初始效率,而对照器件仅剩35%。
本研究通过间位双二甲基咔唑取代策略,设计了Me-Ph2mPACz自组装分子。该分子利用增强的π-π相互作用抑制SAM聚集,形成致密、有序且热稳定的多层结构,从而缓解钙钛矿残余应力,均匀化表面电位,优化能级排列,加速空穴提取并显著减少非辐射复合。最终在单结和叠层器件中均实现了效率和稳定性的显著提升,为高性能自组装空穴选择层的分子设计提供了新范式。
钙钛矿复合式MPPT测试仪
联系电话:400-0086-690
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源,以其先进的技术和多功能设计,为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。
Ø 3A+光源,光源寿命10000h+,真实还原各场景实际光照条件
Ø 可选配恒温恒湿箱,满足IS0S标准
Ø 多型号电子负载可选,多通道独立运行
Ø 不同波段光谱输出可调:350-400 nm/400-750 nm/750-1150 nm均独立可控
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结,叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响,其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点,能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量,还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。
原文参考:Uniform and ordered self-assembled hole-selective layers driven by π-π interactions for e cient perovskite-silicon tandem solar cells
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