研究成果与看点
这项由剑桥大学 Samuel D. Stranks 教授团队领导的突破性研究，发表于 ACS Energy Letters，旨在提升全钙钛矿迭层天美麻花果冻星空大全能电池的效能与稳定性。研究的核心创新在于开发了基于氧化石墨烯（GO）的新型互连层，成功取代了传统的金（Au）复合层。这项改变促成了以更优异的自组装单分子层 2PACz 取代了常见的 PEDOT:PSS 电洞传输层。
本研究的主要成就与看点包括：
•效率显着提升：采用新型 GO 互连层搭配 2PACz 电洞传输层的天美麻花果冻星空大全能电池，其功率转换效率（PCE）达到 23.4%，相较于传统 Au/PEDOT:PSS 互连层的 19.7% 有显着提升
•光学和非辐射复合损失降低：新型互连层设计有效地减少了光学寄生吸收，尤其是在红外光谱范围，准费米能级分裂（QFLS）成像分析证实，非辐射复合损失也显着降低
•稳定性增强：实验结果显示，采用新型GO/2PACz互连层的组件展现了更佳的操作稳定性
•创新的材料组合：研究揭示了 GO 富含的含氧官能基团能与 2PACz 良好结合，克服了传统 Au 材料与 2PACz 结合不良的问题，这是成功替换 PEDOT:PSS 的关键
•深入的机制解析：
1. 紫外-可见光光谱证实，以 GO 取代 Au 提升了红外光穿透率，增加了短路电流
2. SEM 和 XRD 分析表明，新型互连层有助于形成更大晶粒尺寸和更高结晶性的窄能隙钙钛矿薄膜，这有助于提升效能
3. 强度依赖性测量结果进一步证实，新型互连层显着减少了非辐射复合
Figure 2b 展示了全钙钛矿迭层天美麻花果冻星空大全能电池的器件的电流密度-电压 (J-V) 曲线
研究团队
这份研究通讯作者是 Samuel D. Stranks 教授，研究主要是由 剑桥大学(University of Cambridge)的以下科系院所进行的：
•化学工程与生物科技学系(Department of Chemical Engineering and Biotechnology)
•卡文迪许实验室（物理系）(Department of Physics, Cavendish Laboratory)
研究背景
全钙钛矿迭层天美麻花果冻星空大全能电池领域面临以下困难与挑战：
传统互连层的局限性
l 现有的全钙钛矿迭层天美麻花果冻星空大全能电池的互连层主要基于超薄金（Au）复合层和 PEDOT:PSS 电洞传输层(HTL)
l 这些材料会导致显着的光学损失（寄生吸收）和非辐射复合损失
l 基于金和 PEDOT:PSS 的互连层也存在稳定性问题。金可能会扩散到钙钛矿层，降低热稳定性，而 PEDOT:PSS 具有酸性和吸湿性，会促进电池的降解
自组装单分子层(SAMs)作为 HTL 的挑战
l 在单接面钙钛矿电池中，以2PACz等碳唑基 SAMs 取代 PEDOT:PSS 可以减少非辐射复合损失并提升效率和稳定性
l 然而，在迭层天美麻花果冻星空大全能电池的窄能隙次电池中，SAMs 并未被可靠地用作 HTL
l 研究指出，当 2PACz 与常用的 SnO2/Au 互连层结合使用时，由于 2PACz 与金的结合不良，会形成不连续且无效的 HTL，导致器件效能下降
对新型互连层材料的需求
l 传统互连层的缺点凸显了开发替代 HTLs 和互连层以优化电池性能的潜力
l 寻找低成本、易于制备且更稳定的互连层材料是重要的研究方向
l 人们期望找到非金属的互连层，以避免金属迁移导致的稳定性问题，并减少光学损失
图S1
解决方案
•核心创新：以氧化石墨烯(GO)为基础的新型互连层，取代传统金(Au)复合层。
?此举旨在降低光学和非辐射复合损失，这是传统 Au/PEDOT:PSS 互连层的主要缺点
?GO 的溶液制备特性也提供了更低成本和更简便的制程，并避免了溅镀 Au 可能造成的损坏
•关键配套：利用 GO 与 2PACz 的良好结合，成功以自组装单分子层(2PACz)取代 PEDOT:PSS 作为窄能隙次电池的电洞传输层(HTL)。
?先前研究显示 2PACz 在单接面电池中表现优异，但在传统 Au 互连层的迭层天美麻花果冻星空大全能电池中应用受限于结合不良
?GO 表面富含的含氧官能基团解决了此问题，使得 2PACz 的优势得以在迭层结构中发挥
•效益展现：新型GO/2PACz互连层实现了显着的效能提升与稳定性增强。
?功率转换效率(PCE)从 19.7% 提升至 23.4%
?红外光穿透率增加，提升了短路电流密度(JSC)
?准费米能级分裂(QFLS)提升，表明非辐射复合损失减少.
?操作稳定性得到改善，在最大功率点运作 100 小时后仍保持初始效率.
•机制洞察：研究揭示GO/2PACz互连层有助于改善窄能隙钙钛矿薄膜的晶体质量，并降低电压损失。
?晶粒尺寸更大，结晶性更高
?内在和外在电压损失均有所降低
图S18
实验过程与步骤
材料制备与基板处理：
1. 使用镀有氧化铟锡（ITO）的玻璃基板，经过标准清洁流程（超音波清洗、紫外/臭氧处理）。
2. 制备宽能隙（WBG）钙钛矿溶液(Cs0.25FA0.75Pb(I0.73Br0.27)3)与窄能隙（LBG）钙钛矿溶液(Cs0.25FA0.75Pb0.5Sn0.5I3)。
3. WBG 钙钛矿沉积后进行 PDAI2 表面钝化。
4. LBG 钙钛矿沉积过程中使用氮气猝冷。
5. 制备氧化石墨烯（GO）水分散液。
6. 配制 2PACz 和 V1440 的乙醇溶液，以及 PEDOT:PSS 的甲醇稀释液。
不同互连层的制备：
1. 参考组(SnO2/Au/PEDOT:PSS)： 在 WBG 钙钛矿上以原子层沉积(ALD)制备 SnO2，接着热蒸镀极薄的金(Au)，最后旋涂 PEDOT:PSS 作为 LBG 侧的电洞传输层(HTL)。
2. GO/PEDOT:PSS 组(SnO2/GO/PEDOT:PSS)：在 ALD SnO2 上旋涂特定浓度的 GO 溶液后退火，再旋涂 PEDOT:PSS 作为 HTL。研究中发现 GO 的最佳浓度为 0.35 mg/mL，能实现最高的填充因子。
3. GO/2PACz 组(SnO2/GO/2PACz)： 在 ALD SnO2 上旋涂特定浓度的 GO 溶液后退火，再旋涂 2PACz 自组装单分子层(SAM)作为 HTL。研究团队推测 GO 表面的含氧官能基团有助于 2PACz 的结合。
图1a
器件堆栈与顶部电极： 在不同互连层的 HTL 上旋涂 LBG 钙钛矿吸收层。 然后热蒸镀 C60 作为电子传输层(ETL)，再以 ALD 沉积 SnO2 顶层，最后蒸镀铜(Cu)作为顶部电极。
研究过程中的重要发现：
l 2PACz 与金结合不良导致效能下降：当以 2PACz 直接取代参考组的 PEDOT:PSS 作为窄能隙次电池(LBG)的电洞传输层(HTL)时，观察到短路电流密度(JSC)和开路电压(VOC)降。 研究推测这是因为 2PACz 无法有效键结于金(Au)互连层，形成不均匀的 HTL。
l 金互连层结构不连续：原子力显微镜(AFM)显示，热蒸镀的 Au 中间层呈现团簇状，并非连续，导致底层的 SnO2 部分暴露
l 2PACz 可与暴露的 SnO2 结合： X 射线光电子能谱(XPS)分析表明，2PACz 可以附着在 SnO2/Au 互连层上，且讯号变化暗示 2PACz 可能与暴露的 SnO2 产生交互作用
l 光致发光(PL)强度变化证实 2PACz 与金的结合问题：PL 显微镜观察到，当 HTL 为 2PACz 时，随着 Au 厚度增加，PL 强度显着降低，显示金的存在不利于 2PACz 的电荷提取。相反地，能与金结合的 V1440 作为 HTL 时，PL 强度随 Au 覆盖率增加而提升。
l 移除金层导致电荷累积：若移除 Au 回收层，直接在 SnO2 上沉积 2PACz，会出现 S 型电流-电压曲线，这是由于 SnO2 和 2PACz 的功函数差异导致电荷累积，强调了导电回收层的重要性。
l GO 提升光穿透率：紫外-可见光(UV-vis)光谱显示，以氧化石墨烯(GO)取代 Au 作为复合层，能显着增加红外光穿透率，且进一步以 2PACz 取代 PEDOT:PSS 可使穿透率更高。
l GO/2PACz 提升窄能隙钙钛矿晶体质量：扫描式电子显微镜(SEM)和 X 射线绕射(XRD)分析指出，在GO/2PACz互连层上生长的窄能隙钙钛矿薄膜，具有更大的晶粒尺寸和更佳的结晶性，这被认为与 2PACz 的存在有关。
图1a、b
研究成果表征
电流-电压(J-V)曲线表征
用于评估天美麻花果冻星空大全能电池的整体性能，通过测量在不同电压下产生的电流，可以得到关键参数，对使用不同互连层的器件进行了 J-V 曲线的测量。
图 2b：展示了参考器件(Au/PEDOT:PSS 互连层)和GO/2PACz互连层器件的 J-V 曲线。
表 1 以数值形式总结了叁种不同互连层结构器件的光伏性能。
图 2b 和表 1 的数据显示，采用GO/2PACz互连层的器件展现了显着更高的 PCE(23.3%)相较于参考器件(18.9%)。
外部量子效率(EQE)
天美麻花果冻星空大全能电池在不同波长光照下产生电流的效率，反映了器件的光吸收和电荷产生能力。研究中测量了参考器件和采用GO/2PACz互连层器件的 EQE 光谱。
图 2c：展示了参考迭层器件和采用GO/2PACz互连层的迭层器件的 EQE 光谱，并标注了积分得到的电流密度。采用GO/2PACz互连层的器件在长波长区域（对应低带隙次电池的吸收）的量子效率更高。这与图 2a 的透射光谱一致，后者显示用 GO 取代 Au 后，红外光的透射率显着提高，减少了寄生吸收。积分电流密度显示，GO/2PACz 器件的低带隙次电池的 JSC(15.78 mA/cm?)高于参考器件(15.07 mA/cm?)，这有助于整体JSC的提升。
准费米能级分裂(QFLS)表征
反映天美麻花果冻星空大全能电池内部光生载子的化学势差，与开路电压密切相关，可以用于评估非辐射复合损失。研究中使用了高光谱绝对光致发光(PL)成像来获取各次电池的 QFLS 图谱。
图 3a 和 3b：分别展示了参考器件和GO/2PACz器件的低带隙(LBG)和宽带隙(WBG)次电池的 QFLS 映射图。显示GO/2PACz 器件的两个次电池的 QFLS 值都更高且更均匀。
图 3c 和 3d 比较了两种器件各次电池的空间平均 QFLS 值与理论辐射极限开路电压(Voc,rad)的差异。显示GO/2PACz 器件的 QFLS 值更接近其辐射极限，表示非辐射复合减少。
图 3e 比较了两种器件的总器件 QFLS 与器件 Voc 的差值。显示，GO/2PACz 器件的总 QFLS 与 Voc 的差距更小，意味着内外电压损失都降低了。
Enlitech新一代QFLS Map量测仪器强势登场！快速掌握材料优劣状况！
Enlitech QFLS-Maper，1/5设备价格即可使用Mapping功能产出QFLS image，视觉化整体准费米能级分布情况,材料优劣一览无遗!
关注我们，获取更多最新消息!
Suns-Voc 和 Suns-QFLS 测量
通过改变光照强度来研究开路电压(Voc)和准费米能级分裂(QFLS)的变化，从而提取理想因子，用于分析器件中的复合机制。Suns-Voc 测量得到外部理想因子，Suns-QFLS 测量得到内部理想因子。
图 4a 展示了 Voc 随光强度的变化(Suns-Voc)
图 4b 展示了各次电池的 QFLS 以及总 QFLS 随光强度的变化(Suns-QFLS)
表 2 总结了得到的内外部理想因子和拟填充因子(pFF)
图 4a 显示，GO/2PACz 器件具有更高的 Voc。表 2 表明，GO/2PACz 器件的总迭层 nid,int(2.56)低于参考器件(3.10)，且更接近其 nid,ext 值(2.66 vs 2.78)，暗示它们可能受相同的复合机制主导，且复合损失更少。GO/2PACz 器件还具有更高的 pFF(84.7%)和更小的 FF 损失。
最大功率点追踪(MPP)稳定性测试
MPP 追踪用于在器件的最大功率输出点持续运行，以评估其在实际工作条件下的操作稳定性。研究中对不同互连层结构的器件进行了长时间的 MPP 追踪测试。
图 2f 展示了叁种不同互连层结构的迭层器件在 100 小时 MPP 追踪下的归一化 PCE 变化。
图 S10 展示了超过 25 个器件在 20 小时内的 MPP 追踪结果。
图 2f 和图 S10 显示，含有GO/2PACz互连层的迭层器件在长时间运行后仍能保持其初始 PCE，展现出优异的操作稳定性。相较之下，参考器件的效率明显下降。
结论
研究团队成功开发并验证一种基于氧化石墨烯 (GO) 的新型互连层，以取代全钙钛矿迭层天美麻花果冻星空大全能电池中传统的 Au/PEDOT:PSS 层。主要成果与突破如下：
•显着提升功率转换效率(PCE)：使用GO/2PACz互连层的迭层天美麻花果冻星空大全能电池，其器件的PCE达到23.3%(正向扫描)和22.9% (反向扫描)，相较于参考器件的 18.9% 和 19.7% 有显着提升。此提升归因于 短路电流密度 (JSC)、开路电压 (VOC) 和填充因子 (FF) 的改善。
•增强操作稳定性：搭载GO/2PACz的器件在氮气环境中进行最大功率点追踪 (MPP) 100 小时后，仍能维持初始 PCE，优于参考器件。
•机制理解：
?光学损失减少： UV-Vis 光谱显示，GO 取代 Au 显着提升红外光穿透率，减少寄生吸收，提高 JSC。
?非辐射复合损失降低：QFLS成像分析显示，GO/2PACz 器件的两个次电池都呈现更高的 QFLS 值和更均匀的分布，表明非辐射复合损失减少。
?改善电荷传输与界面： Suns-Voc 和 Suns-QFLS 测量显示，GO/2PACz 器件具有更低的内部理想因子且更接近外部理想因子，暗示复合损失减少和电荷传输更有效，拟填充因子 (pFF) 也更高。
?更优异薄膜质量：SEM和XRD分析显示，在GO/2PACz上沉积的低带隙钙钛矿具有更大晶粒和更高结晶度，有助于减少缺陷。
?与 2PACz 兼容：GO促进了 2PACz 自组装单分子层 (SAM) 作为电洞传输层 (HTL) 的应用，取代了与 Au 结合不良且不稳定的 PEDOT:PSS。
研究证明 GO 是一种具潜力的 Au 替代品，结合 2PACz 能有效提升全钙钛矿迭层天美麻花果冻星空大全能电池的性能与稳定性。
文献参考自ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.4c03065
本文章为Enlitech光焱科技改写 用于科研学术分享 如有任何侵权 请来信告知
