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科研專欄 / ENLITECH
作者：中國科學院大連化學物理研究所李燦團隊
DOI: 10.1039/d1ee02248b
Energy & Environmental Science (IF 38.532) 在近期發表一項研究，探討可用于倒置鈣鈦礦太陽能電池的羥基化非富勒烯受體，并達成 22.09% 高效率。在過去十年中，有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 引發了廣泛的研究，功率轉換效率 (PCE) 也接連提高。與傳統 n-i-p 結構的 PSC 相比，倒置 p-i-n 結構的 PSC (i-PSC) 表現出可忽略不計的遲滯現象和可用于構建串聯太陽能電池的潛力。但是，由于缺陷態的非輻射復合和電子傳輸層的能量不匹配，i-PSC 的功率轉換效率 (PCE) 仍然落后于傳統電池。
在此研究中，為同時減少缺陷和改善電子傳輸，研究團隊使用羥基化非富勒烯受體 NFA (稱為 IT-DOH) 來修飾鈣鈦礦和電子傳輸層 (ETL) 間的界面。IT-DOH 分子主要分布在晶粒邊界處，并以三種方式起作用：
第一，與參考分子 ITIC 相比，除了 -CN 和 -C=O 基團外，額外的 -OH 還可以與 Pb2+ 進一步鈍化鈣鈦礦薄膜的缺陷，并更有效地抑制非輻射復合。
第二，ITDOH 的 LUMO 能級形成級聯能級排列，并促進電子提取。
第三，由于分子間氫鍵相互作用引起的共軛面拉長，IT-DOH 分子呈現出長程有序的分子排列和正面取向，有利于電子從鈣鈦礦傳輸到 ETL。
通過光焱科技太陽光模擬器進行電流密度-電壓 (J?V) 量測、正向掃描和反向掃描，并以光焱科技 QE-R 量子效率測量系統進行外部量子效率 (EQE) 檢測。研究結果發現，經 IT-DOH 處理的 i-PSC 在實現了 22.09% 的 PCE，是目前已發表有關 NFA i-PSC 論文中的最高值。此研究也證實 NFA 分子的羥基化對于減少缺陷和改善電子提取/傳輸非常重要。
光焱科技量子效率測量系統除了用于太陽能電池的 EQE (External Quantum Efficiency) 光譜分析，同時對于太陽能電池在太陽光模擬器下的短路電流，也提供了Jsc (short-circuit current density) 的比對，以證明實驗的準確性。此外，光焱科技的SS系列太陽光模擬器與 KA-6000 軟件，也同時提供了短路電流對時間變化的監控，以證明太陽能電池的穩定性。
圖表解析
IT-DOH的化學結構和鈣鈦礦薄膜的沉積過程。
CsFAMA PSC 的 EQE 曲線和 Jsc。
反向和正向掃描的 J-V 曲線，包含 IT-DOH 處理的 (a) CsFAMA 鈣鈦礦和 (b) CsFA 鈣鈦礦。
本文關鍵詞：
非富勒烯受體、 non-fullerene acceptor、NFA、 倒置鈣鈦礦太陽能電池、p-i-n PSC、太陽光模擬器、Solar Simulator 、量子效率、Quantum Efficiency
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