鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因其輕質(zhì)、可溶液印刷和低成本等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的PSCs的光電性能得到了顯著提升,這使得研究范圍擴(kuò)展到了商業(yè)化潛力的熱門探索領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能模組的全印刷製備對於規(guī)?;窂蕉砸呀?jīng)迫在眉睫。然而,有機(jī)傳輸層的印刷工藝和成膜特性,尤其是Spiro-OMeTAD,一直被忽視。由於墨水流變學(xué)與印刷過程不匹配以及LiTFSI-tBP添加劑的不穩(wěn)定性,印刷的Spiro-OMeTAD面臨著非均勻性和孔洞問題。
南昌大學(xué)陳義旺團(tuán)隊(duì)于2024年Energy & Environmental Science八月號(hào)(第15期)發(fā)表研究,專注于解決Spiro-OMeTAD作為傳輸層材料的印刷過程和薄膜形成性質(zhì)問題。Spiro-OMeTAD在印刷過程中容易出現(xiàn)不均勻性和孔洞問題,由于墨水流變學(xué)參數(shù)與印刷過程不匹配,以及LiTFSI-tBP添加劑的不穩(wěn)定性。
為了克服這些挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊(duì)提出了一種聚合物調(diào)節(jié)策略,通過添加poly(4-vinylpyridine)(P4VP)來增加內(nèi)部摩擦,抑制不必要的液膜流動(dòng)(主要是徑向流和馬朗戈尼流),從而實(shí)現(xiàn)大面積Spiro-OMeTAD薄膜的均勻沉積。此外,P4VP的吡啶基團(tuán)能夠固定LiTFSI,防止孔洞形成,并提高有機(jī)薄膜的印刷質(zhì)量。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,使用這種策略的鈣鈦礦太陽能電池PSCs在不同面積下(0.04 cm2、25 cm2和100 cm2)的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)分別達(dá)到24.1%、18.01%和16.03%,且其穩(wěn)定性與不含添加劑的旋涂方法相當(dāng)。這種方法為大面積沉積非晶態(tài)小分子半導(dǎo)體提供了深入見解。
導(dǎo)讀目錄
1. 研究背景與改善工程手法
2. 表征設(shè)備的運(yùn)用與優(yōu)化工程論證
3. 聚合物P4VP有效提升Spiro-OMeTAD的成果
研究背景與改善工程手法
研究團(tuán)隊(duì)于研究過程中發(fā)現(xiàn)并歸納出幾項(xiàng)材料上的缺陷:
1. Spiro-OMeTAD薄膜的不均勻性:研究發(fā)現(xiàn),Spiro-OMeTAD在印刷過程中容易出現(xiàn)不均勻的薄膜,這是由于墨水流變學(xué)參數(shù)與印刷過程不匹配。
2. Spiro-OMeTAD的穩(wěn)定性問題:在印刷過程中,tBP的蒸發(fā)會(huì)惡化Spiro-OMeTAD的穩(wěn)定性。
3. 孔洞形成:由于LiTFSI-tBP添加劑的不穩(wěn)定性,Spiro-OMeTAD薄膜中容易形成孔洞,影響裝置的效能和穩(wěn)定性。
然而,缺陷的改善與優(yōu)化恰好成為本論文研究的最大亮點(diǎn)。透過以下研究手法的進(jìn)程,可以探知研究團(tuán)隊(duì)如何運(yùn)用poly(4-vinylpyridine)(P4VP)進(jìn)行Spiro-OMeTAD均勻印刷的程序和手法如下:
1. 材料制備:準(zhǔn)備Spiro-OMeTAD溶液,其中包含Spiro-OMeTAD、不同比例的P4VP、4-tert-butylpyridine (tBP)、Li-TFSI acetonitrile溶液和氯仿。
2. 基板清潔:ITO-coated玻璃基板在進(jìn)行印刷前,先在超聲波浴中清潔,然后用氮?dú)饬鞲稍锊⑦M(jìn)行空氣等離子體處理。
3. 印刷過程:使用meniscus printing技術(shù)進(jìn)行印刷。對于SnO2電子傳輸層,設(shè)定刮刀速度為5 mm/s,刮刀與基板的距離為50 µm,基板加熱溫度為50°C。對于Spiro-OMeTAD層,印刷過程中刮刀速度為5 mm/s,刮刀與基板的距離為100 µm。
4. 預(yù)處理和后處理:在印刷Spiro-OMeTAD之前,對基板進(jìn)行真空預(yù)處理,然后對涂有Spiro-OMeTAD的基板進(jìn)行熱處理。
5. 電極沉積:在Spiro-OMeTAD層干燥后,刮去公共電極,并在高度真空中蒸發(fā)沉積Ag接觸電極,厚度為100 nm。
6. 裝置組裝:將印刷好的Spiro-OMeTAD層與其他層如SnO2電子傳輸層、鈣鈦礦吸收層等組裝成完整的太陽能電池裝置。
7. 印刷質(zhì)量控制:通過光學(xué)顯微鏡、AFM、SEM等技術(shù)來檢查印刷質(zhì)量,確保Spiro-OMeTAD層的均勻性和完整性。
8. 性能評估:使用J-V測量、IPCE、EIS等技術(shù)來評估太陽能電池的性能,并進(jìn)行熱穩(wěn)定性和濕度穩(wěn)定性測試。
表征設(shè)備的運(yùn)用與優(yōu)化工程論證
研究團(tuán)隊(duì)采用了以下表征量測設(shè)備:
1. 掃描電子顯微鏡(SEM):用于觀察和分析印刷后Spiro-OMeTAD層的橫截面形態(tài),評估薄膜的均勻性和質(zhì)量。
2. 原子力顯微鏡(AFM):用于分析印刷薄膜的表面形貌和粗糙度,進(jìn)一步評估印刷質(zhì)量。
3. 光學(xué)顯微鏡:用于觀察薄膜表面的微觀特征,如孔洞和不均勻性。
4. 光致發(fā)光(PL)光譜:用于評估載流子提取效率和缺陷狀態(tài),從而分析印刷薄膜的光電性能。
5. 電化學(xué)阻抗譜(EIS):用于分析裝置的界面特性和電荷轉(zhuǎn)移過程。
6. 時(shí)間分辨光致發(fā)光(TRPL):用于測量載流子壽命,反映缺陷狀態(tài)對載流子復(fù)合的影響。
7. 熱重分析(TGA):用于分析材料的熱穩(wěn)定性和組分變化。
8. Kelvin探針力顯微鏡(KPFM):用于測量薄膜的工作函數(shù)和表面電位,評估半導(dǎo)體性能的穩(wěn)定性。
9. 時(shí)間飛行二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS):用于分析離子遷移和材料分布。
10. 太陽光模擬器及IV測量系統(tǒng): 用于模擬標(biāo)準(zhǔn)的太陽光照條件,以便在受控環(huán)境下測量太陽能電池的性能; 測量太陽能電池的電流-電壓(IV)特性,從而計(jì)算出PCE。
團(tuán)隊(duì)使用了光焱科技的SS-X系列太陽光模擬器進(jìn)行在仿真環(huán)境中,通過全譜照明、操作溫度等來提供準(zhǔn)確的PCE數(shù)據(jù),幫助研究團(tuán)隊(duì)評估印刷技術(shù)對太陽能電池效率的影響,以及大面積沉積的均勻性。
圖4. 全功能層印刷PSCs的光伏性能。
(a) J-V曲線和 (b) EQE曲線的小面積PSCs。
(c) 摻雜或不摻雜PAVP的空穴主導(dǎo)設(shè)備的空間電荷限制電流(SCLC)特性。(d) 電化學(xué)阻抗譜(EIS)。(e) 瞬態(tài)光電壓曲線。(f) 莫特-肖特基曲線。(g) FFLP設(shè)備隨著活性面積增加的標(biāo)準(zhǔn)化PCE演變。(h) 帶有Au電極的25 cm2 PSMs的J-V曲線。
表1. 基于正向和反向掃描的特定光電參數(shù)。
光焱科技太陽光模擬器現(xiàn)場示意圖
聚合物P4VP有效提升Spiro-OMeTAD的成果
研究團(tuán)隊(duì)成功將與Spiro-OMeTAD具有良好兼容性的高分子量聚合物引入到HTL中。通過聚合物與Spiro-OMeTAD之間的分子相互作用,提高了Spiro-OMeTAD墨水的內(nèi)部摩擦,并抑制了印刷過程中的各種復(fù)雜流動(dòng),從而在溶劑蒸發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)了更均勻的薄膜鋪展和沉積。以下綜合了此研究所帶來顯著的成效:
1. 印刷均勻性改善:通過添加聚合物P4VP,抑制了Spiro-OMeTAD印刷過程中的不均勻液膜流動(dòng),實(shí)現(xiàn)了大面積均勻沉積。
2. 光電轉(zhuǎn)換效率提升:印刷的Spiro-OMeTAD層在不同面積下(0.04 cm2、25 cm2和100 cm2)的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)分別達(dá)到24.1%、18.01%和16.03%。
3. 裝置穩(wěn)定性提高:添加P4VP的Spiro-OMeTAD薄膜在空氣和熱老化測試中顯示出良好的穩(wěn)定性,能夠維持超過80%的原始效率。
4. 印刷技術(shù)商業(yè)化潛力:該研究為全印刷制程的鈣鈦礦太陽能電池提供了深入見解和經(jīng)驗(yàn),有助于促進(jìn)商業(yè)化生產(chǎn)。
5. 科學(xué)理解進(jìn)展:研究提供了對非晶態(tài)小分子半導(dǎo)體沉積過程的精密理解,特別是在印刷技術(shù)方面的知識(shí)進(jìn)展。
推薦產(chǎn)品
SS-X系列
文獻(xiàn)參考自EES .2024_ DOI: 10.1039/D4EE01230E
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