前言
隨著鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cells, PSC) 的快速發展，如何同時提升其效率與穩定性成為當前研究的核心挑戰。
本研究以《Homologous Molecule Treatment in Perovskite Solar Cells: Synergistic Management of Holistic Defect and Charge Transfer》為題，提出了一種基于脒基硫脲 (AT) 和 1-苯基-3-胍基硫脲 (PGT) 分子的創新策略，通過協同管理整體缺陷和電荷傳輸，顯著提升了 PSC 的效能與穩定性。
研究團隊制備了一種平面 PSC，達到了 26.06%的功率轉換效率 (PCE)，且在連續光照 1400 小時后仍保持 90% 的效率，展現出優異的穩定性。本研究由香港城市大學的Ning Zhou (主要作者) 和葉軒立教授 (通訊作者) 主導，研究成果證明了同源分子在鈣鈦礦材料中的潛力，為高效穩定的 PSC 開發提供了新思路。
研究成就與亮點
開發了一種基于同源分子（AT 和 PGT）的協同策略，以解決鈣鈦礦太陽能電池中的整體缺陷和電荷轉輸問題。
AT 分子有效鈍化了鈣鈦礦晶體內的各種缺陷，并調節了結晶動力學，而 PGT 分子則用于處理表面缺陷并減少界面非輻射復合。
基于這種策略，制造出的平面 PSCs 達到了 26.06% 的功率轉換效率，并在連續光照 1400 小時后仍保持 90% 的效率。
研究團隊
本研究由
主要作者：Ning Zhou 香港城市大學
通訊作者：葉軒立老師 香港城市大學
其他作者：Ning Zhou, Yiheng Shen, Zixin Zeng, Lingyi Ke, Fancheng Kong, Chen Cao, Philip C. Y. Chow, Sai-Wing Tsang, Alex K.-Y. Jen
研究背景
有機-無機雜化鹵化物鈣鈦礦因其優異的光電特性、成本效益以及可擴展的制備工藝而備受關注，被視為下一代光伏技術。
盡管鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）具有優勢，但要實現其商業化，仍需克服重大挑戰，特別是在減少引發 Shockley-Read-Hall 復合的缺陷以及控制結晶過程方面。
現有許多策略可以解決這些問題，但分子工程的復雜性（通常需要不同的分子來完成不同的任務）限制了其實際應用。
解決方案
本研究引入了一種名為脒基硫脲 (AT) 的多功能化合物，該化合物具有多個強配位點，可以有效鈍化鈣鈦礦晶體內的各種缺陷并調節結晶動力學。
此外，還引入了一種 AT 的同源分子，稱為 1-苯基-3-胍基硫脲 (PGT)，該分子具有一個額外的苯環，用于處理表面缺陷并減少界面非輻射復合。
AT 和 PGT 的結合可以協同調節鈣鈦礦的結晶動力學，并解決整體缺陷，包括鈣鈦礦的體積和表面。PGT 電子特性還構建了一個有效的電荷轉移通道，這顯著抑制了界面非輻射復合。
實驗過程與步驟
將 AT 分子加入到 FA0.92Cs0.08PbI3 鈣鈦礦前驅體溶液中。使用旋涂法制備鈣鈦礦薄膜，并在特定溫度下進行退火處理。使用 PGT 溶液對鈣鈦礦薄膜進行表面改性處理。制備標準的 p-i-n 平面結構 PSCs，其中包括 ITO 基板、空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層和金屬電極。
研究成果表征
電流-電壓特性曲線 (J-V)：用于評估 PSCs 的光伏性能，包括開路電壓 (Voc)、短路電流 (Jsc)、填充因子 (FF) 和功率轉換效率 (PCE)。
控制設備的 PCE 為 22.18%，Voc 為 1.109 V，Jsc 為 24.39 mA cm-2，FF 為 82.0%。
加入 1% mmol 硫脲（作為參考添加劑）后，設備的性能與原始薄膜設備相當，PCE 為 22.34%，Voc 為 1.116 V，Jsc 為 24.87 mA cm-2，FF 為 80.5%。
將 1% mmol AT 加入鈣鈦礦后，PCE 明顯提高到 23.78%，Voc = 1.126 V，Jsc = 25.41 mA cm-2，FF = 83.1%。
當鈣鈦礦用 1% mmol AT 和 1% mmol PGT 處理時，獲得了最高的 PCE，為 26.06%，幾乎沒有遲滯現象 (Voc = 1.194 V, Jsc = 25.77 mA cm-2, FF = 84.7%)。(圖 6b, 圖 S17)
圖 S16 (a): 展示了不同 AT 濃度下器件的 J-V 曲線。該圖表明，AT 濃度對器件性能有顯著影響，濃度為 1%。過低或過高的 AT 濃度都會降低器件性能，這可能是由于 AT 鈍化缺陷和調節晶體生長的效果存在濃度范圍。
圖 S16 (b): 展示了不同 PGT 濃度下器件的 J-V 曲線 (鈣鈦礦前驅體中含有 1% AT)。該圖顯示，隨著 PGT 濃度的增加，器件的 Voc 逐漸提升，但當 PGT 厚度過大時，Jsc 會大幅下降。這表明 PGT 具有良好的空穴阻擋能力，但過厚的 PGT 會阻礙電荷傳輸，因此需要控制 PGT 的厚度以獲得性能。
光強度依賴性 J-V 特性：用于評估不同光強度下器件中的復合損耗，并研究載流子復合機制。
Voc 隨光強度單調增加，理想因子超過 1，表明復合不僅受少數載流子濃度的控制，還受陷阱輔助 SRH 復合機制的影響。(圖 6e)
理想因子隨著 AT 和 AT&PGT 處理分別從 1.27 降低到 1.15，再從 1.15 降低到 1.08，表明處理后的器件中陷阱輔助 SRH 復合受到抑制。
原始設備、AT 處理設備和 AT&PGT 處理設備的 Jsc 與光強度的關系斜率分別為 0.962、0.987 和 0.992，表明單分子復合在優化設備中占主導地位，處理后的設備 Jsc 與光照強度之間表現出理想的關系，表明陷阱密度相較于原始電池有所降低。(圖 6f)
最大功率點 (MPP) 追蹤：用于評估 PSCs 在連續光照下的操作穩定性。
AT&PGT 處理的設備表現出優異的性能，在連續光照 1400 小時后仍保持超過 90% 的初始 PCE，遠優于僅保留 82% 的原始電池。(圖 6g)
推薦使用光焱科技SS-X AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器進行J-V量測
外部量子效率 (EQE) 光譜：用于評估 PSCs 在不同波長下的光電轉換效率，證實 AT 和 AT&PGT 處理可提高電流密度。 (圖 6c)
光焱科技QE-R PV/太陽能電池量子效率光學儀可進行EQE量測
空間電荷限制電流 (SCLC) 測量：用于確定鈣鈦礦薄膜內的陷阱密度。
原始薄膜、AT 處理薄膜和 AT&PGT 處理薄膜的陷阱密度分別為 2.10 × 1015、1.69 × 1015 和 1.45 × 1015 cm-3，表明缺陷態隨著不同處理而減少。 (圖 6d)
熱穩定性測試：將設備放置在 85°C 的加熱板上進行老化測試，以評估其在高溫下的穩定性。
處理后的設備相較于原始設備表現出更好的熱穩定性，表明 AT&PGT 處理有助于設備更好地耐受高溫。 (圖 6h)
濕度穩定性測試：將薄膜暴露于相對濕度接近 80% 的環境中，并通過 XRD 分析評估其穩定性。
AT&PGT 處理的薄膜相較于原始薄膜表現出更好的抗降解性，原始薄膜在幾天內就出現了 PbI2 和 δ 相的形成。 (圖 S20a, b)
處理后的薄膜還表現出更高的疏水性，接觸角更大，對濕氣的抵抗力更強。 (圖 S20c-e)
其他表征：
掃描電子顯微鏡 (SEM)：用于觀察鈣鈦礦薄膜的表面形貌和晶粒尺寸。 (圖 2a-d, 圖 S9)
原子力顯微鏡 (AFM)：用于探測薄膜的表面特性，AT 摻雜的薄膜表面更光滑。 (圖 S5)
拉曼光譜：用于評估鈣鈦礦薄膜在 20×20 mm2 面積上的均勻性。 (圖 S6)
掠入射廣角 X 射線散射 (GIWAXS)：用于監控整個薄膜形成過程。 (圖 2e-g)
原位光致發光 (PL)：用于了解旋涂和退火過程中鈣鈦礦的成核和晶體生長過程。 (圖 3a-d)
超快瞬態吸收 (TA) 測量：用于研究鈣鈦礦薄膜中的缺陷捕獲。 (圖 3e, f, 圖 S7, S8)
穩態 PL 光譜：顯示 AT 增強了 PL 發射，而 PGT 進一步放大了這種效應。 (圖 4b)
時間分辨 PL (TRPL)：顯示 AT 處理的薄膜和 AT&PGT 處理的薄膜表現出更長的載流子壽命，分別為 657.8 ns 和 1031.3 ns，而原始薄膜為 411.6 ns。 (圖 4c)
光致發光量子產率 (PLQY)：用于分析各層和界面中的非輻射復合損耗行為，AT&PGT 處理的薄膜仍然顯示出更高的 PLQY，表明 AT&PGT 的協同效應。 (圖 4d)
推薦使用光焱科技LQ-100X-PL 光致發光與發光量子光學檢測儀可量測PLQY
紫外-可見光吸收光譜和紫外光電子能譜 (UPS)：用于確定薄膜的能級。(圖 4e, f, 圖 S12, S13)
開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)：用于驗證功函數結果。 (圖 4g, 圖 S11)
反射電子能量損失譜 (REELS)：用于確定 PGT 的表面帶隙。 (圖 4h)
X 射線光電子能譜 (XPS)：用于分析薄膜的元素組成和化學態。(圖 1b-d, 圖 S14)
傅立葉變換紅外光譜 (FTIR)：用于確認鈣鈦礦與 TU 或 AT 分子之間的化學相互作用。(圖 1e, f, 圖 S1)
核磁共振 (NMR)：用于深入分析 AT 和 PbI2@AT 復合物結構。 (圖 S2)
密度泛函理論 (DFT) 計算：用于了解 AT 和 PGT 在鈣鈦礦表面的鈍化機制。(圖 5, 圖 S15)
研究成果
本研究開發了一種基于同源分子 AT 和 PGT 的協同策略，以解決鈣鈦礦太陽能電池中的整體缺陷和電荷轉移問題。AT 作為添加劑，有效鈍化了鈣鈦礦薄膜中的缺陷，并調節了結晶過程，從而獲得了具有更大晶粒尺寸、更光滑表面和更少缺陷的高質量薄膜。而 PGT 作為表面改性劑，則通過阻擋空穴轉移，進一步減少了表面缺陷和界面非輻射復合。
研究結果表明，AT 和 PGT 的協同效應顯著提高了 PSCs 的光伏性能，器件的 PCE 達到了 26.06%，這歸因于缺陷鈍化、晶粒尺寸增大和界面電荷轉移的改善。
此外，AT&PGT 處理的器件表現出優異的操作穩定性，在連續光照 1400 小時后仍保持超過 90% 的初始效率，同時熱穩定性和濕度穩定性也得到了改善。
這項工作為通過同源分子調節整體缺陷鈍化和構建電荷轉移通道提供了重要的見解，為設計高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池開辟了新的途徑。
文獻參考自Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/adfm.202418798
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