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中国科学技术大学2023年杀疯了！继1月4日中科大新年首篇合作Nature，1月11日中科大新年首篇第一通讯单位的Nature之后，1月18日中科大再迎新年第二篇第一单位Nature。除了Nature，1月19日中科大薛天教授研究团队在Cell发表了他们最新的研究成果。
是不是惊呆了？简单来说就是2023年中科大已发表3篇Nature（1篇共同通讯单位，2篇第一单位），1篇Cell（第一单位）。 今日，中科大化学与材料科学学院徐集贤教授课题组在Science上以题“Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact”发表了他们的最新研究成果。 为了在钙钛矿太阳能电池中保持高载流子电导率，钝化层通常非常薄（~1 nm）以实现电子隧穿。然而，这种方法限制了效率，因为它在开路电压和填充因子之间产生了折衷，并且在大面积上从溶液制造薄膜方面存在挑战。鉴于此，研究人员引入了一个厚的（~100nm）电介质掩模，通过沉积氧化铝纳米板形成，从而为载流子传输创造了随机的纳米级开口。与传统的钝化层相比，该层减少了非辐射复合并将功率转换效率从23%提高到25.5%。
【PIC设计】 用于p-i-n器件的多孔绝缘体接触 (PIC)设计，具有以下综合特征：（i）减少钙钛矿/HTL界面的接触面积；(ii)开孔间距约为100 nm，比钙钛矿的光载流子扩散长度短；(iii)可扩展的制造工艺。如图1A所示，过程a是无法通过厚Al 2O 3电隧穿的载流子的横向传输。过程b代表载流子通过填充钙钛矿形成的通道的“通过开口”传输。坐着选择Al 2O 3作为电介质材料是因为它易于接近，但原则上也可以使用其他绝缘材料，如SiO 2、ZrO 2和绝缘有机电介质。 同时，作者开发了一个2D 数值漂移扩散模型来解开 PIC 的结构效应和界面钝化效应。如图1B所示， PCE、Voc和FF都随着电介质覆盖率的增加而稳定增加（即钙钛矿/HTL接触面积减少）。这种独立性证实了PIC对Voc和FF增强的固有结构效应，提供了克服传统接触中遇到的钝化-传输权衡的途径。25%的PIC覆盖率可带来约5%的可观PCE百分比改善（图1B，C）。将PIC的覆盖率增加到64%或将此PIC涂在具有较低表面陷阱密度的钝化HTL上可以进一步提高PCE百分比改善超过10%（图1C）。因此，PIC减小的接触面积与整个界面钝化相结合，可以获得更高的Voc和FF。
图 1. p-i-n 设备的 PIC 的概念和仿真 【PIC制造】 作者通过在溶液过程中控制Al2O3纳米片簇的生长模式来实现PIC触点设计。PIC原理要求局部介质掩模与HTL的相邻开口区域之间具有高对比度。因此，避免形成会产生钝化-传输权衡的连续超薄介电层至关重要。PIC的结构表征如图2B-L所示。 作者制造了p-i-n器件来评估具有不同尺寸（d=30，100nm）和不同浓度（0.7至4mgml-1）的溶液处理的Al2O3电介质掩模（图2M-Q）。遵循最先进的p-i-n架构，作者使用聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺(PTAA)作为沉积在氧化铟锡涂层上的HTL玻璃(ITO)和C60作为沉积在钙钛矿表面顶部的ETL。钙钛矿成分为Cs 0.05(FA 0.95MA 0.05) 0.95Pb(I 0.95Br 0.05) 3（其中FA为甲脒，MA为甲基铵），带隙为1.55eV。对于d=30nm的Al 2O 3掩模，Voc和FF仅在浓度为0.7mgml−1时略有增加。随着浓度的进一步增加，FF大幅下降，这与AFM图像中观察到的短路电流密度(Jsc)损失和连续层形成的趋势一致（图2G，H）。相比之下，d=100nm的Al2O3掩模的性能增强窗口明显更宽。随着浓度从0.7增加到2mgml−1，覆盖率持续增加。Voc、FF、PCE，以及保留的Jsc，完全服从理想PIC模型的预测。对于1.4mgml −1的浓度和约25%的覆盖率，作者获得了约12%的最大PCE百分比改善（19.7对22.2%）（图2M-Q）。Voc和FF的改善可能来自除PIC接触面积减少之外的其他因素：HTL处钙钛矿表面的钝化以及钙钛矿在PIC涂层HTL上生长时体积质量的改善。
图 2. 通过 Al2O3 纳米板的固溶过程实现 PIC 触点设计 【太阳能电池制造和测试】 作者比较了在没有HTL的情况下，玻璃/钙钛矿和玻璃/PIC/钙钛矿样品的光致发光量子产率(PLQY)和瞬态光致发光寿命（图3A-C），ITO/Me-4PACz/钙钛矿叠层表现出双指数衰减，包括快速衰减和令人印象深刻的~880 ns长τ（图3D，E），光学性质的变化表明体积和表面的非辐射复合受到抑制。
图 3. PIC 对减少非辐射复合的影响 作者制造了ITO/Me-4PACz/PIC/perovskite/C60/BCP/Ag的pin太阳能电池。SEM表明在Me-4PACz层上形成了Al 2O 3孤立岛（覆盖率约为25%，浓度为1.4mgml -1）（图4A）。作者在同一批次中制造了20个带有PIC的太阳能电池和20个没有它的太阳能电池。PIC将平均PCE从22.1%增加到24.5%（图4B），这主要是由于Voc和FF增加所致。研究人员根据详细平衡理论对V oc损失进行了定量分析，PIC 器件的电致发光外量子效率增加了约 7 倍（图 4C），非辐射复合损耗减少了约 50 mV（图4E）。作者使用Suns-Voc方法，定量分析了PIC器件中增强的FF（从平均78.5%到82.3%）（图4B）。推导出的理想因子从1.66提高到1.32（图4D），与非辐射复合抑制和FF增强非常一致。PIC器件中的FF增强对减少传输损耗（4.78对7.11%）和减少非辐射复合损耗（2.65对6.05%）有相当大的贡献（图4F）。PIC器件的PCE为25.6%（Voc=1.208V，Jsc=25.08mAcm-2和FF=84.37%），滞后可忽略不计（图4G）。最大功率点跟踪300秒后稳定的PCE为25.5%（图4I），这种效率是钙钛矿单结电池有史以来最高的效率之一。
图 4. PIC 增强型 p-i-n 器件的 PV 特性 【小结】 本文提出了一种接触结构来克服目前钙钛矿太阳能电池的挑战，其中传统的超薄（~1nm）钝化层被替换为具有随机纳米级开口的厚（~100nm）介电掩模。具有这种PIC的电池实现了高达 25.5% 的效率（经认证的稳态效率为 24.7%）。本文同时展示了它对不同 p 型触点和钙钛矿成分的广泛适用性。 --纤维素推荐-- 来源：高分子科学前沿 声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！ |
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