鈣鈦礦:喝茶,喝出一篇Science!

2021-02-15 納米人

 

研究亮點：

1. 茶鹼，咖啡因和可可鹼可用於鈍化鈣鈦礦表面的缺陷

2. 茶鹼分子中N-H和C=O的最佳構型利於降低鉛的反位缺陷

3. 茶鹼處理後，鈣鈦礦太陽能電池效率從21%提高到了22.6％。

 

表面陷阱介導的非輻射電荷複合制約了高效金屬滷化物鈣鈦礦光伏電池的發展。鈣鈦礦晶格的離子特性通過官能團和缺陷之間的相互作用使分子缺陷鈍化方法成為可能。然而，缺乏對分子構型如何影響鈍化效果的深入了解，從而對合理的分子設計提出了巨大挑戰。


有鑑於此，加州大學洛杉磯分校楊陽教授及其合作者系統地研究了茶鹼，咖啡因和可可鹼（類似「喝茶」、「喝咖啡」、「吃巧克力」）的不同化學環境的官能團對缺陷鈍化的情況。

當分子中N-H和C=O處於最佳構型時，N-H和I之間的氫鍵形成有助於主要的C=O與Pb（鉛）反位缺陷的結合，從而最大化表面缺陷結合。研究結果表明，用茶鹼處理的鈣鈦礦太陽能電池的穩定效率可達到22.6％。

                         

圖1.三個表面C=O基團的表面缺陷識別和構造構型不同的化學環境，（A）各種類型的表面缺陷的俯視圖。（B）鈣鈦礦與茶鹼，咖啡因和可可鹼PbI反位分子表面鈍化的理論分子模型。（C）在有或沒有小分子處理的情況下，鈣鈦礦型太陽能電池在反掃J-V曲線。

圖2. 表面缺陷與小分子之間相互作用的研究，（A）純茶鹼和茶鹼-PbI2膜的FTIR光譜，（B）純咖啡因和咖啡因-PbI2膜，（C）純可可鹼和可可鹼-PbI2膜。 （D）沒有和有小分子處理的鈣鈦礦薄膜的PL光譜。（E）鈣鈦礦型太陽能電池中經過或未經過小分子處理的tDOS。（F）鈣鈦礦型太陽能電池經過或不經過小分子處理的EIS譜。

 

圖3. 鈣鈦礦薄膜的特性以及茶鹼處理的界面，（A）Pb 4f 7/2和Pb 4f 5/2的XPS光譜。（B）有或沒有茶鹼處理的鈣鈦礦薄膜的UPS光譜。（C）AFM和鈣鈦礦膜經過（右）或不經過（左）茶鹼處理的KPFM圖像。（D）茶鹼處理前後鈣鈦礦薄膜的時間分辨PL光譜。（E）橫截面SEM圖以及相應的EBIC圖像和線輪廓（右）或不（左）茶鹼處理鈣鈦礦型太陽能電池。

圖4. 茶鹼處理鈣鈦礦型太陽能電池的光伏性能和長期穩定性J-V曲線，(A)鈣鈦礦太陽能電池的效率曲線。（B）鈣鈦礦太陽能電池的EQE曲線。（C）最佳鈣鈦礦型太陽能電池的穩定最大功率輸出和光電流密度最大功率點隨時間的變化。（D）鈣鈦礦型太陽能電池的PCE分布。（E）封裝的鈣鈦礦太陽能電池的穩定性測試。

 

總而言之，表面缺陷處的電荷複合會限制鈣鈦礦太陽能電池的效率，但這些缺陷可通過小分子的結合而鈍化。楊陽等人研究了三個這樣的小分子-茶鹼，咖啡因和可可鹼（同時帶有羰基和氨基）。對於茶鹼，氨基氫與表面碘化物之間的氫鍵作用使具有鉛的反位缺陷的羰基相互作用最優化，鈣鈦礦太陽能電池的效率從21％提高到22.6％。

 

Constructive molecular configurations for surface-defectpassivation of perovskite photovoltaics，Science，2019

DOI: 10.1126/science.aay9698

https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1509

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