文章概述
本文通过协同电子缺陷表面工程调控电子选择性分子层(ESMLs)在钙钛矿太阳能电池(PSCs)中的应用。研究团队系统分析了不同电子缺陷强度的材料，发现表面修饰对界面偶极取向具有主导作用。通过将羧酸基团(Bpy-COOH)替换为氰基丙烯酸基团(Bpy-CAA)的双功能联吡啶基电子选择性分子层，增强了在n-i-p PSCs中的吸附、电子提取和钝化效果。Bpy-CAA器件实现了23.98%的效率，并在1 cm²电池中保持了21.63%的效率，这是使用有机ESMLs的n-i-p PSCs中报道的最高值。将该架构应用于四端钙钛矿/硅串联太阳能电池(4T-P/STSCs)获得了30.83%的效率。研究表明分子的电子性质比偶极取向对电子提取效率更具决定性作用。
深度精读
Figure 1图中特别强调了电子缺陷表面修饰相对于偶极取向的主导作用，为后续Bpy-COOH和Bpy-CAA的设计提供了理论基础。
Figure 2通过开尔文探针力显微镜(KPFM)测量展示了裸FTO及经Ph-COOH、Mpy-COOH、Bpy-COOH和Bpy-CAA功能化后的功函数分布(a)。Bpy-COOH(b)和Bpy-CAA(c)的静电表面电位(ESP)和偶极矩计算结果表明Bpy-CAA具有更大的偶极矩(5.32 D vs 4.71 D)。钙钛矿前驱体溶液在Bpy-COOH(d)和Bpy-CAA(e)上的接触角测试显示Bpy-CAA具有更好的润湿性。理论吸附模式(f,g)和FTO/ESML界面的差分电荷密度(h)分析证实Bpy-CAA具有更强的吸附能和更有效的电荷转移。
Figure 3展示了不同钙钛矿薄膜的界面特性。(a)剥离过程示意图显示实验方法。(b)稳态光致发光(PL)光谱表明Bpy-CAA基样品具有最弱的PL峰强度，证明其更有效的电子提取能力。(c)顶部表面和(d)埋入界面SEM图像显示Bpy-CAA薄膜具有更好的均匀性和更大的晶域。(e)顶部和(f)埋入界面钙钛矿薄膜的功函数分布显示Bpy-CAA引起更明显的n型埋入界面和向下能带弯曲，有利于电子提取和空穴排斥。
Figure 5展示了载流子动力学。(a-c)瞬态反射(TR)光谱的二维伪彩图显示不同基底上钙钛矿薄膜的反射率变化(ΔR/R)与泵浦-探针延迟(Δt)的关系。(c)从TR光谱提取的归一化表面载流子动力学表明Bpy-CAA具有更短的载流子寿命(138.69 ps)，证明其更有效的电子提取。(d)莫特-肖特基图显示Bpy-CAA器件具有更高的内置电势(1.088 V)。(e)热导纳光谱获得的陷阱态密度(tDOS)演化显示Bpy-CAA在0.4 eV附近具有更低的浅能级陷阱密度。(f)电化学阻抗谱证实Bpy-CAA基器件具有更高的电荷复合电阻(546 KΩ/cm² vs 324 KΩ/cm²)。
文章来源
https://doi.org/10.1021/jacs.5c07357
