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浴日光能鈣鈦礦
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鎂摻雜氧化鎳空穴傳輸層實(shí)現(xiàn)高效率和穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
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鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）是一種有前景的薄膜光伏器件，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)27.3%的功率轉(zhuǎn)換效率。由氧化鎳（NiOx）和Me-4PACz組成的空穴傳輸層（HTL）在這些器件中被廣泛使用。然而，NiOx的分散性和導(dǎo)電性不理想，并且存在能級(jí)不匹配問(wèn)題。同時(shí)，Me-4PACz 在NiOx上的覆蓋不均勻。在此背景下，本文合成了鎂離子摻雜的氧化鎳（Mg:NiOx），其具有更多表面羥基，以解決這些問(wèn)題。更多的表面羥基提供了更多 Me-4PACz 的結(jié)合位點(diǎn)，從而形成更致密、更均勻的 Me-4PACz 覆蓋。因此，埋藏界面上的缺陷更少，為鈣鈦礦（PVK）的結(jié)晶提供了更好的環(huán)境。此外，Mg:NiOx/Me-4PACz 與 PVK 實(shí)現(xiàn)了更好的能級(jí)匹配�；贛g:NiOx的 PSC 達(dá)到最佳 PCE 為 25.86%，相比于NiOx基器件（24.51%）有顯著提升。 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）由于其高效率和低成本，近年來(lái)發(fā)展迅速。倒置型PSCs易于制造且表現(xiàn)出低遲滯性。此外，它們還可以用于與其他太陽(yáng)能電池制備疊層電池。這些優(yōu)勢(shì)使得倒置型PSCs成為研究的焦點(diǎn)。空穴傳輸層（HTLs）對(duì)PSCs極為重要，HTL自身的性能與穩(wěn)定性具有重要意義。值得注意的是，HTLs還可以間接影響鈣鈦礦（PVK）晶體的分解。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)和改進(jìn)HTLs來(lái)鈍化PVK的埋藏界面是非常必要，這是提高PSCs光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和穩(wěn)定性的有效方法之一。HTLs可以分為有機(jī)和無(wú)機(jī)類(lèi)型，各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。大多數(shù)無(wú)機(jī)HTLs是金屬氧化物，其中以氧化鎳（NiOx）為基礎(chǔ)的無(wú)機(jī)HTLs得到了廣泛應(yīng)用。NiOx具有高透光率，其納米顆粒穩(wěn)定性?xún)?yōu)良。同時(shí)，其制造成本也相對(duì)較低。然而，在低溫下制備的NiOx HTLs仍面臨諸多挑戰(zhàn)。具體而言，NiOx薄膜的電導(dǎo)率相對(duì)較低。此外，NiOx與PVK之間的能級(jí)匹配并不理想。NiOx在ITO基底上的分布不均勻，而且高價(jià)態(tài)的鎳容易與PVK發(fā)生反應(yīng)。 為了解決這些問(wèn)題，許多研究人員從不同方面對(duì)NiOx進(jìn)行了研究。在此，科學(xué)家合成了Mg:NiOₓ 作為空穴傳輸層（HTL），其具有富羥基的表面、成本效益高、Mg²⁺/Ni²⁺ 半徑匹配良好（利于均勻摻雜）以及降低的功函數(shù)（優(yōu)化能量匹配）。Cl⁻ 易于去除，因?yàn)?#160;Cl⁻ 與 Ni²⁺ 的配位能力較弱。因此，采用高溶解度的MgCl₂·6H₂O 作為摻雜劑，其釋放的結(jié)晶水實(shí)現(xiàn)了與 Ni²⁺ 的分子級(jí)混合，從而促進(jìn)了均勻摻雜。針對(duì)Mg:NiOₓ/Me-4PACz 系統(tǒng)的研究顯示，Mg:NiOₓ 的分散性和導(dǎo)電性得到改善，兩組分之間的結(jié)合更強(qiáng)，界面缺陷更少，PVK 晶粒生長(zhǎng)均勻，同時(shí)Mg:NiOₓ 較低的功函數(shù)（-4.36 eV，相較于原始NiOₓ 的 -4.26 eV）增強(qiáng)了其 p 型特性。 在這項(xiàng)工作中，合成了Mg:NiOx并成功提升了PSC的性能。Mg:NiOx表面富含羥基，這有助于Me-4PACz的均勻且致密沉積，有利于PVK的均勻生長(zhǎng)并抑制埋藏界面缺陷的產(chǎn)生。同時(shí)，Mg:NiOx的HOMO能級(jí)降低（從-5.03 eV降至-5.13 eV）以及ITO/Mg:NiOx/Me-4PACz的費(fèi)米能級(jí)下降，證明了HTL與PVK之間的能級(jí)匹配更佳。更好的能級(jí)匹配增強(qiáng)了空穴提取能力。Mg:NiOx器件的VOC和FF均有所提高。采用Mg:NiOx制備的0.06 cm² PSC顯示出高達(dá)25.86%的PCE，并在室溫AM 1.5G連續(xù)照射462小時(shí)后仍保持初始PCE的96.8%。同時(shí)，使用NiOx的PSC僅保持初始PCE的62.9%。Mg:NiOx成功提升了PSC的PCE和穩(wěn)定性。 |
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