武漢理工童金輝Sci Adv：29.01%！WBG全鈣鈦礦疊層太陽能電池中的缺陷鈍化與結晶調控

主要內容

基于碘溴（I - Br）混合鹵化物的寬禁帶（WBG；>1.65電子伏特）鈣鈦礦，是鈣鈦礦基疊層太陽能電池（TSCs）的關鍵活性層材料。然而，富溴（Br）物種的結晶動力學難以控制，往往會導致寬禁帶鈣鈦礦薄膜出現晶粒尺寸減小、缺陷密度升高等問題。在此情形下，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室童金輝研究員和湖南師范大學翟亞新教授帶領其團隊，引入了一種多功能添加劑——3,4,5 - 三氟苯甲酰胺（TFBZ）。該添加劑旨在增強無甲銨（MA）的寬禁帶鈣鈦礦薄膜的結晶性，并鈍化其缺陷。

與苯甲酰胺相比，TFBZ展現出更突出的缺陷鈍化能力，它能夠借助氟元素增強的相互作用，有效減少碘空位和欠配位Pb2?引起的缺陷。此外，TFBZ中的氟取代基還能與碘化甲脒形成N–H···F氫鍵，進而減緩鈣鈦礦的結晶速率。該團隊提出的這種方法，對于1.67電子伏特和1.79電子伏特的無甲銨寬禁帶鈣鈦礦，均能有效實現缺陷鈍化和晶體生長調控，從而成功制造出無甲銨的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，其光電轉換效率達到了令人鼓舞的29.01%（認證效率為28.52%）。

總之，為突破無甲銨（MA）寬禁帶（WBG）鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）結晶性差和缺陷密度高的瓶頸，童金輝研究員和翟亞新教授團隊精心設計了多功能添加劑——3,4,5 - 三氟苯甲酰胺（TFBZ）。TFBZ中的氟原子在強化鈣鈦礦缺陷位點與TFBZ中甲酰胺基團形成的化學鍵方面發揮著至關重要的作用，其缺陷鈍化效果顯著優于苯甲酰胺（BZD）。同時，氟原子還可作為氫鍵受體，與甲脒碘（FAI）相互作用形成N–H···F氫鍵，進一步減緩鈣鈦礦的結晶速率。TFBZ中氟原子與甲酰胺基團的協同作用，能夠生成晶粒尺寸大、缺陷密度低的高質量鈣鈦礦薄膜。

這一方法對帶隙分別為1.67電子伏特和1.79電子伏特的無甲銨寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池均具有廣泛的適用性。基于該方法制備的器件，分別實現了22.78%和20.21%的顯著光電轉換效率（PCE），同時表現出更優異的運行穩定性。更令人矚目的是，通過將高效的1.79電子伏特無甲銨寬禁帶鈣鈦礦與1.25電子伏特無甲銨窄禁帶（NBG）鈣鈦礦相結合，該團隊成功制備出無甲銨雙端全鈣鈦礦疊層器件，其光電轉換效率高達29.01%，成果斐然且意義重大。

綜上所述，這些發現充分凸顯了童金輝研究員和翟亞新教授團隊通過有針對性地設計添加劑中的功能基團來強化化學相互作用這一方法的有效性。該方法可同時提高無甲銨寬禁帶鈣鈦礦薄膜的結晶性并降低其缺陷密度，最終實現了高性能單結無甲銨寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池，以及光電轉換效率提升且具有長期運行穩定性的全鈣鈦礦疊層太陽能電池。

文獻信息

Defect passivation and crystallization modulation in methylammonium-free wide-bandgap perovskites for all-perovskite tandem solar cells

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4501

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