溴功能化Bz-PhpPABrCz+Bz-PhpPACz二元混合SAM在纹理化钙钛矿/硅叠层太阳电池上实现31.4%效率

来源:钙钛矿-晶硅叠层太阳电池TSCs发布时间:2025-12-22 17:25:37

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102227

网盘链接:https://pan.quark.cn/s/52e8d42b1c5e

     钙钛矿/硅叠层电池已突破单结电池的理论效率极限(33.7%),是下一代高效光伏的重要方向。但在纹理化硅表面上,传统自组装分子层(SAMs)容易聚集、覆盖不均,导致电荷提取效率低、界面复合严重。Huang 等人关键发现:溴杂质意外提升性能

意外发现:商用SAM材料 4PADCB 中意外含有溴代杂质(4PABrDCB),这些杂质反而提升了叠层电池性能。

一、分子设计与合成

1、设计策略:

   合成纯溴代分子 Bz-PhpPABrCz,将其与非溴代类似物 Bz-PhpPACz 混合,形成二元混合SAM(Mix)。

2、最优配比:

     通过实验优化,确定 Bz-PhpPACz : Bz-PhpPABrCz = 8 : 1 时性能最佳(图1C、S3、S4)。

二、机理验证

1、界面覆盖与能级调控

     覆盖度提升:XPS分析显示,Mix 和 Bz-PhpPACz 在纹理化硅表面覆盖度更高(图2A)。能级对齐优化:UPS显示,Mix SAM 使功函数显著下移,减少与钙钛矿的价带偏移,降低开路电压损失(图2A、B)。分子分布模拟:MD模拟显示,Mix SAM 在ITO表面分布更均匀,避免聚集(图2C、D)。

2、钙钛矿结晶质量提升

     晶向调控:GIWAXS显示,Mix SAM 促进钙钛矿晶粒更均匀生长,减少晶格应变(图3A、B)。应变释放:W-H分析表明,Mix SAM 使钙钛矿晶格应变最低(0.75),溴原子可能通过卤-卤键释放应力(图3C)。光学性能提升:PL成像显示,Mix SAM 样品发光更均匀、强度更高,表明非辐射复合减少(图3E、F、G)。

3、电荷提取与界面动力学

     瞬态表面光伏分析:Tr-SPV 显示,Mix SAM 在多种激发能量下均表现出更快的电荷分离和更低的复合损失(图4B)。分子电荷分布:共轭结构促进电荷离域,有利于空穴传输(图4C)。

三、电池性能与稳定性

     高效率叠层电池:Mix SAM 电池效率达 31.4%,开路电压、填充因子均显著提升(图5B、D)。低滞后性:Mix 和 C-4PADCB 电池滞后明显小于纯 Bz-PhpPACz(图5B)。优异稳定性:在45°C持续光照1000小时后,Mix SAM 电池仍保持97% 的初始效率(图5E)。

四、实验细节

      钙钛矿薄膜组分为1.5M的Cs0.05FA0.8MA0.15Pb(I0.745Br0.255)3,空穴浓度0.8mg/mL,钝化为PDAI2。

五、结论

     Huang 等人提出分子设计策略:溴功能化 + 共轭连接基团协同提升覆盖度、钝化缺陷、优化能级。基于工业级CZ硅片实现高效率,具备产业化潜力。杂质警示:商用SAM中意外杂质可能显著影响性能,提醒研究人员注意材料纯度与批次差异。

责任编辑:wanqin
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