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南科大徐保民Nano energy：高效無反溶劑鈣鈦礦太陽能電池中SAM作為空穴傳輸層的優勢

發表時間：2025-04-22 14:07

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主要內容：

開發一種簡便的方法來制備高質量的鈣鈦礦薄膜，且無需使用反溶劑技術，對于鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的規?；a至關重要。目前，大多數高效鈣鈦礦太陽能電池依賴于使用反溶劑制備的鈣鈦礦薄膜，然而，大多數常用的反溶劑具有毒性，且反溶劑工藝在大規模生產中面臨諸多困難，如設備要求高、成本增加等，這嚴重限制了鈣鈦礦太陽能電池的廣泛應用。因此，開發無反溶劑的鈣鈦礦薄膜制備技術迫在眉睫。

有機 - 無機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的光電轉換效率已從3.8%迅速提升至目前的26.7%，展現出其在光伏應用中的巨大潛力，這得益于其優異的光電性能，如高吸收系數、可調帶隙、長載流子擴散長度和缺陷容忍度。無反溶劑鈣鈦礦的成核和晶體生長對于制備高質量、無針孔的薄膜至關重要，因為薄膜中的針孔會嚴重影響器件的性能。

為解決大規模加工過程中均勻成核和結晶的挑戰，眾多研究團隊進行了積極探索。例如，Bu等人設計了一種鉛鹵化物模板結晶策略，通過控制N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮（NMP）加合物的成核和生長，獲得高質量的大面積薄膜。這些加合物可以與嵌入的FAI/CsI原位反應，直接形成α相鈣鈦礦，并繞過向δ相的相變。進一步添加六氟磷酸鉀可使效率達到23%。Zhang等人采用NMP作為添加劑來抑制FAPbI?的非鈣鈦礦相。通過揮發性溶劑2 - 甲氧基乙醇的自揮發，而非傳統的反溶劑，他們制備了FAI - PbI? - NMP中間相，*終實現了20.1%的效率。Wang等人利用MeO - 2PACz作為空穴傳輸層，并采用預合成的三維甲胺鉛氯（MAPbCl?）和一維2 - 氨基苯并噻唑鉛碘（ABTPbI?）微晶作為自干燥鈣鈦礦前驅體，作為晶種促進無需反溶劑萃取的FAPbI?基鈣鈦礦的成核和生長。性能**的倒置結構器件在小面積器件（0.09 cm2）和大面積器件（1.0 cm2）上分別實現了23.27%和21.52%的光電轉換效率。

除了上述研究團隊的工作外，本研究團隊在無反溶劑鈣鈦礦太陽能電池領域也取得了重要進展。自組裝單分子層（SAM）是指分子通過化學鍵自發地吸附在固體表面，形成有序的單分子層結構，在鈣鈦礦太陽能電池中常作為空穴傳輸層。原位表征技術是指在材料制備或反應過程中，實時監測材料結構和性能變化的技術。甲脒（FA）基鈣鈦礦是一種具有優異光電性能的鈣鈦礦材料。為解決無反溶劑鈣鈦礦成核和結晶的挑戰，我們采用SAM作為空穴傳輸層，以促進無反溶劑鈣鈦礦的埋底界面成核和生長。

為全面了解SAM分子在無反溶劑工藝中制備鈣鈦礦薄膜的調控作用，我們采用原位表征技術闡明了SAM對甲脒（FA）基鈣鈦礦結晶過程的影響。我們發現，在鈣鈦礦前驅體溶液中，PbI?傾向于與N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮（NMP）形成中間相。當將前驅體溶液涂覆在SAM表面時，PbI? - NMP（表示為PN）中間相進一步傾向于在鈣鈦礦層的埋底界面與SAM結合，形成SAM - NMP - PbI?（表示為SNP）中間相。在通過無反溶劑工藝制備鈣鈦礦薄膜的旋涂過程中，我們觀察到SNP*初在鈣鈦礦的埋底界面形成二維中間相框架，隨后FA離子插入晶格中。中間相框架的引入增強了薄膜的成核均勻性，促進了鈣鈦礦的結晶，并顯著提高了器件的性能。

本研究證明，自組裝單分子層（SAM）可作為有效空穴傳輸層（HTLs），促進甲脒基鈣鈦礦在不使用反溶劑時的成核與生長。通過原位表征技術，我們觀察到4PADCB（某化合物名稱，此處保留原英文表述，因具體中文名稱可能因文獻而異）與N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮（NMP）和碘化鉛（PbI?）結合形成二維中間相，該中間相作為陽離子進入的框架并促進鈣鈦礦的結晶。性能**的倒置結構器件在小面積（0.0736 cm2）和大面積（1.0 cm2）器件上分別實現了25.60%和23.53%的光電轉換效率，這在無反溶劑PSCs中屬于*高效率之一。這項工作有助于理解SAM作為空穴傳輸層在無反溶劑工藝中對鈣鈦礦成核和結晶的調控作用，為無反溶劑鈣鈦礦太陽能電池的發展提供了新的思路和方法。該研究由南方科技大學徐保民教授、王樹勛教授和香港科技大學章勇教授帶領的聯合團隊完成。

文獻信息：

Benefit of Anchoring Self-Assembled Monolayer as HTL for Efficient Anti-Solvent-Free Perovskite Solar Cells

Bo Jiang a, Peide Zhu a, Zheng Liang b, Wenbo Peng a, Jie Zeng a e, Chen Wu a, Xianghui Zeng f, Fei Su a, Deng Wang a e, Yuqi Bao a, Chen Xie f, Xu Pan b, Yong Zhang g, Xingzhu Wang a h i, Baomin Xu

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552500415X