最新Science：自組裝單層膜的界面增韌提高了鈣鈦礦太陽能電池的可靠性

木文韜 2年前 (2021-05-07) 9672瀏覽

【引言】

低成本、高功率轉換效率(PCE)和多功能性的前景推動了鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的研究。金屬鹵化物鈣鈦礦(MHP)光吸收劑的低形成能使其能夠在室溫或或接近室溫下進行溶液處理，這也使其不穩定。改善PSC運行穩定性和可擴展性的研究已經取得了穩步進展，但PSCs如果要有效運行幾十年，還需要具有機械可靠性。提高PSCs的機械可靠性尤其具有挑戰性，因為MHPs的低形成能較低，導致其固有的機械性能較差，這意味著它們是柔性的、軟的和脆性的。此外，在平面PSC多層堆疊中，MHP薄膜和相鄰功能層之間的界面甚至更脆，使得它們容易過早分層。引起PSCs斷裂的內外機械應力來源包括：（i）層間熱膨脹系數（CTE）不匹配；（ii）運行中的熱偏差；（iii）使用中的損傷積累；（iv）制造、安裝、維護和服務期間的變形（如彎曲、拉伸和扭曲）。在包含PSCs的串聯光伏產品中，由于增加了層數，預計CTE引起的內部應力會更大，而在柔性單結PSCs的情況下，外部施加的應力通常會更嚴重。盡管器件的最終使用中分層失敗取決于許多因素，但最薄弱的界面的G_C（低韌性）可能是決定多層器件機械可靠性的最重要指標。已經有一些嘗試來增強PSCs中最薄弱界面的G_C，并取得了不同程度的成功，使用的方法包括增加界面層、支架、相互滲透的界面、引入添加劑和晶粒粗化。

【成果簡介】

今日，美國布朗大學Nitin P. Padture教授團隊使用碘端自組裝單層（I-SAM）作為“分子膠”，證明了MHP薄膜和底層SnO₂電子傳輸層（ETL）之間的脆性界面大幅增韌。這一處理步驟不僅提高了PCE（高達21.44%），減少了遲滯現象，而且還提高了在1個太陽最大功率點（MPP）下連續運行的穩定性（預計保留初始PCE 80%的時間可達~4000小時）。經過運行穩定性測試的PSCs的特性表明，I-SAM有助于保持ETL/MHP接口的機械完整性，而在以前的PSC研究中所謂的操作穩定性與機械可靠性密切相關。此外，SAMs已被用于增韌其他類型器件的界面，同時改善其他功能性能，如導熱性。該成果以題為“Interfacial toughening with self-assembled monolayers enhances perovskite solar cell reliability”發表在了Science上。

【圖文導讀】

圖1 ETL/MHP界面的機械性能