在钙钛矿太阳能电池领域，界面和钙钛矿层的异质性一直是提高效率的主要障碍，尤其在大面积应用中更为突出。新加坡国立大学NUS侯毅团队于Nature Photonics Volume 18. 9月号(DOI: 10.1038/s41566-024-01531-x)的研究发表中证实，自组装分子（SAMs）的无定形相能显着改善钙钛矿的生长均匀性。高光谱分析结果显示，钙钛矿/无定形SAMs结构中的光致发光峰分布更为集中且呈现蓝移。时间分辨光致发光研究进一步表明，基于无定形SAM的钙钛矿薄膜中陷阱辅助复合速率降低至0.5×10^6 s^-1。这些改进使p-i-n结构的钙钛矿太阳能电池在1平方厘米面积上实现了25.20%的效率（经认证为24.35%）。更值得注意的是，这些电池在ISOS-L-1标准下经过600小时的最大功率点跟踪后，效率仍保持接近100%，在ISOS-T-2标准下经过1,000小时的85°C热应力测试后，仍保持90%的初始效率。此外，与晶态SAMs相比，非晶态SAMs能有效降低缺陷密度，减少陷阱辅助的复合速率，进一步优化效率和稳定性。

显示了在ISOS-T-2I协议下，封装设备在85°C、黑暗和氮气环境中的稳定性测试。比较了两种不同的自组装分子（SAM）：

• c-SAM（绿色线）：随着时间的推移，功率转换效率（PCE）逐渐下降。

• a-SAM（蓝色线）：PCE保持相对稳定，显示出更好的稳定性。

结果表明，a-SAM在长时间运行中具有稳定性。

晶态SAM (Me-4PACz) 和非晶态SAM (Ph-4PACz)研究手法

近年来，钙钛矿太阳能电池（PSC）研究呈现出对倒置（p-i-n）结构的偏好趋势，其功率转换效率（PCE）与传统正向结构（n-i-p）的差距逐渐缩小。这一效率提升很大程度上归功于自组装分子（SAMs）作为空穴传输材料（HTM）的应用。典型的HTM SAMs结构包含空穴传输组分、锚定基团和间隔物，其中锚定基团（如磷酸）与金属氧化物或透明导电氧化物（TCO）基底形成化学键合。

在钙钛矿光伏领域，SAM沉积技术通常采用快速溶液处理，与传统单分子层概念不同。SAMs易聚集或结晶，主要受弱库仑力和强范德华力驱动。未锚定SAMs常堆积在已锚定分子上，形成纳米厚度的疏松层。这类似于染料敏化和有机太阳能电池中的非理想结晶现象。然而，SAMs在TCO基底上的大面积均匀性研究仍有限。
本研究比较了晶态SAM (Me-4PACz) 和非晶态SAM (Ph-4PACz)，揭示了立体位阻和分子间相互作用在实现均匀非晶态SAM中的关键作用。以下为综合研究论文及补充资料的研究步骤:

1. 样品制备：确保SAMs均匀覆盖在基板上，为后续的钙钛矿生长提供良好的界面。

• 使用图案化的ITO或FTO玻璃基板，经过清洗和紫外臭氧或空气等离子处理。

• 合成了特定的化合物，如Ph-4PACz

• 将c-SAM或a-SAM溶液旋涂在基板上，并加热以形成薄膜。

2. 钙钛矿薄膜制备：形成高质量的钙钛矿薄膜是提高电池效率的关键。

• 使用预先配制的钙钛矿前驱溶液，经过旋涂和退火处理形成钙钛矿薄膜。

3. GIWAXS表征：确认SAMs的无定形相有助于均匀的钙钛矿生长。

• 使用掠射广角X射线散射技术来分析SAMs的结晶性和形貌。

SFig11.展示了GIWAXS（广角X射线散射）分析的径向轮廓，分别在面内和面外方向上对c-SAM和a-SAM进行整合。

• (a) 面内方向：

• 上图：a-SAM的散射强度随着qq的增加而减少。

• 下图：c-SAM的散射强度显示出类似的趋势，但有更多细节和波动。

• (b) 面外方向：

• 上图：a-SAM的散射强度在低qq值处有一个峰值，随后逐渐减少。

• 下图：c-SAM在低qq值处显示出多个明显的峰值，表明其结构有序性更高。

4. 分子动力学（MD）模拟：提供对SAMs均匀性和分子间相互作用的深入理解。

• 模拟SAMs在TCO基板上的分子分布。

5. 光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）分析：评估界面缺陷和非辐射复合对电池性能的影响。

• 测量钙钛矿/SAMs薄膜的PL峰分布和陷阱辅助复合速率。

• 通过TRPL测量来提取载流子复合参数，理解太阳能电池内部的载流子动态和能量转换，有助于优化太阳能电池的设计

6. 电流-电压（J-V）特性测量：直接评估电池的效率和稳定性，为衡量研究成果的重要指标。

• 测量电池的功率转换效率（PCE）和其他电性能参数。
       
  
  

新加坡国立大学NUS侯毅团队为光焱科技的用户，长期采用多项来自光焱科技的表征设备进行研究
上图为SS-X 3A+级别AM1.5太阳光模拟器使用示意图，另外，搭配QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案，能在软件操作下具有效率地为表征程序的测量取得精准并具高重复性的数值。

1cm² a-SAM基器件展现效率超25%性能

高性能的c-SAM-PSCs和a-SAM-PSCs均采用p-i-n结构，其组成为玻璃/掺氟锡氧化物(FTO)/c-SAM或a-SAM/Cs 0.1FA 0.9 PbI 3 /C 60 /bathocuproine (BCP)/Ag，随着a-SAM均匀性的提升，1cm² a-SAM基器件展现效率达25.20%，开路电压(VOC)为1.175V，填充因子(FF)为84.0%，短路电流密度(JSC)为25.6mA cm−2，创下1cm²器件效率超25%的新纪录。相较之下，c-SAM基器件的Voc和FF略低，分别为1.153V和81.6%，整体效率为24.0%。

值得关注的是，1cm² c-SAM和a-SAM器件在FF上存在显着差异（c-SAM器件平均FF为81%，a-SAM器件为83.5%）。研究团队推测这源于两种SAM的均匀性差异。为验证性能，研究人员将一个1cm² PSC进行认证。与已发表文献中报告的n-i-p和p-i-n结构相比，显示研究团队的1cm2 PSC实现了24.35%的最大功率点跟踪（MPPT）效率，是一项显着的认证效率a-SAM基器件的外量子效率（EQE）结果如，积分得到的JSC为26.3mA cm-2。

此外，研究团队更对有效面积为1.70cm2的相同结构器件进行了电致发光映射。c-SAM器件映射中出现几处暗区，表明钙钛矿组分分布不均。相比之下，a-SAM器件在整个电池区域展现出更高且更均匀的电致发光强度。并与光致发光（PL）映射结果一致，表明空穴传输材料（HTM）/钙钛矿界面的非辐射复合显着减少。这种减少有助于提高开路电压（Voc）、填充因子（FF）和整体器件稳定性，因为界面缺陷得到了缓解。

研究人员按照ISOS-L-1I和ISOS-T-2I进行了严格的稳定性评估。在连续的一个太阳光强度照明下，相对湿度85%的环境中进行600小时最大功率点跟踪（MPPT）后，封装的a-SAM器件保持了接近100%的初始效率，表现出色。相比之下，c-SAM器件在类似条件下400小时后效率降至85%以下。此外，a-SAM基器件经历1000小时85°C热应力测试后仍保持90%的初始效率，远优于c-SAM基器件，后者仅保持56%的初始效率。

文献参考自Nature Photonics Volume 18. 9月号_DOI: 10.1038/s41566-024-01531-x

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