科學家采用新自組裝單分子空穴提取層 有效提高太陽能電池效率和穩定性
【化工儀器網 項目成果】分子自組裝一般是指如分子在不受人類外力之介入下，自行聚集、組織成規則結構的現象，如分子的結晶即是一種自組裝現象。自組裝程序的發生通常會將系統從一個無序(disordered)的狀態轉化成一個有序(ordered)的狀態，運用各種分子之自組裝亦是建構納米材料非常重要的方法，這種所謂由下而上(bottom-up)的方法目前被廣泛應用來制備具光、電、磁、感測、與催化功能的納米材料。
自組裝單分子層(SAM)是一種由具有活性基團的分子在固體表面自發地組裝形成的有序單分子層。自組裝單分子層如今被廣泛應用于電子學器件/光電器件的界面修飾。2022年5月12日，香港城市大學Alex K.-Y. Jen(任廣禹)教授在清華大學主辦學術期刊《Nano Research Energy》上發表題為“Self-assembled Monolayer Enabling Improved Buried Interfaces in Blade-coated Perovskite Solar Cells for High Efficiency and Stability”的最新研究成果。
目前，高效的倒置鈣鈦礦太陽能電池大多采用聚[雙(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作為下層空穴傳輸材料，但由于PTAA的浸潤性較差，導致上層刮涂制備的大面積鈣鈦礦薄膜往往不均勻，并在鈣鈦礦層的埋底界面處引入大量的界面空隙，嚴重損害鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。因此，研究適合刮涂制備大面積、高質量鈣鈦礦薄膜的下層傳輸材料尤為重要。
研究團隊基于前期的研究經驗，針對上述PTAA在大面積鈣鈦礦制備中存在的問題，在本工作中提出采用[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸(MeO-2PACz)作為自組裝單分子空穴提取層來取代PTAA。一方面，親水的MeO-2PACz單分子層改善了刮涂鈣鈦礦薄膜的成核和生長，形成致密均勻的埋底界面并促進與頂部鈣鈦礦的相互作用以鈍化界面缺陷。另一方面，由于該MeO-2PACz自組裝單分子層僅有單層分子，因此可以通過電荷隧穿有效地將載流子從鈣鈦礦提取到襯底電極，從而提高器件性能。得益于鈣鈦礦在自組裝單分子層上的高質量埋底界面及高效的空穴提取，在有效面積分別為0.105 cm2和18.0 cm2 的鈣鈦礦器件和組件上分別實現了18.47%和14.13%的能量轉換效率。此外，基于自組裝單分子層的鈣鈦礦太陽能電池表現出良好的穩定性，惰性氣體氛圍中在最大功率點附近連續運行500小時以上后，仍可保持90%的初始效率。
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參考來源：《Nano Research Energy》
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