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浴日光能鈣鈦礦
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[交流]
空穴注入層中摻雜氧化石墨烯使碳電極鈣鈦礦太陽能電池的效率達到23.6% 已有1人參與
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在低溫加工下的碳基鈣鈦礦太陽能電池（C-PSCs）因其增強的穩(wěn)定性和經(jīng)濟高效性而受到關(guān)注。然而，這些優(yōu)點往往被器件性能下降所抵消，主要原因是空穴傳輸層（HTL）與碳電極之間的電荷傳輸效率低。本文報道了利用羧基功能化的氧化石墨烯（GO-COOH）作為HTL材料Spiro-OMeTAD的摻雜劑，以促進界面電荷傳輸并固定鋰離子，從而改善器件性能和穩(wěn)定性。展示了GO-COOH與Spiro-OMeTAD之間的電子轉(zhuǎn)移，其中GO-COOH中的離域電子無需暴露于氧氣即可實現(xiàn)p型摻雜，從而形成強π–π共軛的HTL–碳界面。Li–C鍵的形成固定了可移動的鋰離子，進一步提高了器件的穩(wěn)定性。結(jié)果，C-PSCs實現(xiàn)了23.6%的光電轉(zhuǎn)換效率，并在連續(xù)照射1000小時后保持了初始性能的98.7%。這些結(jié)果使C-PSCs的性能更接近采用金屬電極的器件水平。 有機–無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在過去十年中其光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）經(jīng)歷了顯著提升，從3.8%上升至27.0%。然而，其進一步發(fā)展受到長期穩(wěn)定性不足的制約，主要原因是長期暴露于環(huán)境因素（如陽光、熱、水和氧氣）引起的降解，以及離子遷移導(dǎo)致的金屬電極腐蝕。傳統(tǒng)方法如封裝可以減輕水和氧的損傷，但無法阻止離子遷移和金屬電極腐蝕，從而對穩(wěn)定性造成顯著威脅。為克服這些挑戰(zhàn)，基于碳的PSCs（C-PSCs）通過低溫工藝制備成為研究重點，因為其具有化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的電學(xué)性能且成本低廉。然而，與金屬電極相比，碳電極在性能上往往較差，這是由于鈣鈦礦–碳電極界面發(fā)生非選擇性電荷轉(zhuǎn)移所致。 為了解決這一問題，研究重點集中在將空穴傳輸層（HTL）引入碳基鈣鈦礦太陽能電池（C-PSCs）中，以增強電荷提取能力并防止電子泄漏，其中，Spiro-OMeTAD被報道可促進高光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。然而，這類C-PSCs的成功應(yīng)用通常需要摻雜雙氟磺酰亞胺鋰（LiTFSI）以提高導(dǎo)電性，其易吸濕特性可能會增加水分進入鈣鈦礦層，并且鋰離子的遷移可能促使其擴散到相鄰層，從而影響電池穩(wěn)定性。此外，傳統(tǒng)依賴氧氣的摻雜方法費時且重復(fù)性差。此外，Spiro-OMeTAD與碳電極之間的接觸不良限制了界面電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致器件性能下降。因此，為了實現(xiàn)C-PSCs的優(yōu)異性能和穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于開發(fā)一種有效策略，在不暴露于氧氣的情況下同時摻雜Spiro-OMeTAD、促進界面電荷向碳電極的轉(zhuǎn)移并固定鋰離子。 在這項工作中，科學(xué)家引入了一種在低溫加工C-PSCs中使用富含羧基的氧化石墨烯（GO-COOH）對Spiro-OMeTAD進行有效p型摻雜的方法，以通過促進價電子轉(zhuǎn)移實現(xiàn)充分摻雜而無需氧氣活化。該過程涉及通過插層GO-COOH迅速消耗并固定鋰離子，從而在應(yīng)力條件下增強器件穩(wěn)定性，通過X射線光電子能譜（XPS）和飛行時間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）得到驗證。此外，GO-COOH中電荷的離域化改善了摻雜HTL的導(dǎo)電性和能帶匹配，并與碳電極建立了強π–π共軛界面，從而提升C-PSCs中的電荷傳輸動力學(xué)。通過采用精心設(shè)計的雙層碳電極（石墨烯–高導(dǎo)電碳膜）以增強雙向電荷提取與收集，C-PSCs實現(xiàn)了23.6%的最高PCE以及超過該結(jié)構(gòu)Shockley–Queisser（S–Q）極限80%的開路電壓–填充因子（VOC–FF）乘積。通過GO-COOH摻雜實現(xiàn)了增強的穩(wěn)定性，未封裝器件在持續(xù)光照超過1000小時后仍保持98.7%的初始性能。 這一突破解決了低溫加工C-PSCs中HTL界面電荷轉(zhuǎn)移差的關(guān)鍵問題，為提高效率和實現(xiàn)優(yōu)秀穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。此項工作為實現(xiàn) Spiro-OMeTAD的無氧快速氧化及構(gòu)建理想 HTL 接口以提升低溫制備 C-PSCs 的效率和穩(wěn)定性提供了新見解。 |
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2樓2025-11-07 13:24:00
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