论文概览
金属卤化物钙钛矿因其卓越的光电性能，已成为推动光伏效率提升的有力候选材料。随着研究电池的光电转换效率(PCE)接近商业化硅太阳能电池，钙钛矿太阳能电池(PSCs)的工业化即将到来。然而，采用自组装分子(SAMs)的高效反向钙钛矿太阳能电池面临着聚集性和疏水性等挑战。我们提出了一种“SAM-in-matrix”策略，将部分SAM分子分布在三氟苯基硼的稳定基质中，有效避免了分子堆积引起的聚集。2D格点蒙特卡洛模拟和实验结果表明，该策略能够形成高效的电荷传输通道。基于SAM-in-matrix的孔传输层(HTL)器件在多种SAM材料下展示了更高的效率，具有紧凑的表面覆盖、良好的导电性和显著减少的埋藏纳米空隙。此外，该策略具有良好的可扩展性。采用SAM-in-matrix HTL的FTO/NiOx基板有助于形成高质量的大面积钙钛矿薄膜，并提高NiOx的导电性，从而实现了1 m × 2 m大面积钙钛矿太阳能模块，认证效率达到20.05%。
技术亮点
1.SAM-in-Matrix策略提升电荷传输：该研究提出了一种新的“SAM-in-matrix”方法，将自组装单分子层(SAMs)嵌入稳定的基质(三氟苯基硼酸，BCF)中。此策略防止了分子堆积聚集，确保通过形成有效的孔传输通道来实现高效的电荷传输，从而提高了设备的性能。
2.高效率的大面积钙钛矿太阳能电池：通过将SAM-in-matrix孔传输层(HTL)应用于大面积钙钛矿模块，研究实现了1米×2米钙钛矿太阳能模块的认证功率转换效率(PCE)为20.05%。这种可扩展性对于商业化生产至关重要，且展示了大面积薄膜的优秀重复性和均匀性。
3.提升设备稳定性与性能：使用Me4PA@BCF HTL显著提高了钙钛矿器件的稳定性。与传统的SAM基HTL设备相比，这些器件在连续操作1600小时后仍保持93.6%的初始PCE，显示出卓越的长期稳定性。
深度解析
Me4PA@BCF传输层(HTL)的构建
Me4PA@BCF空穴传输层(HTL)的构建研究揭示了自组装单分子层(SAMs)分子堆积和结晶是导致SAMs聚集不均匀和界面稳定性差的主要原因。通过引入三氟苯基硼酸(BCF)作为基质，Me4PA分子在BCF基质中得到了有效分散，防止了堆积和聚集，改善了空穴传输路径。X射线衍射(XRD)和2D倾斜入射广角X射线散射(GIWAXS)结果表明，Me4PA在BCF中的堆积被有效抑制，形成了无定形结构。进一步的模拟和实验数据表明，Me4PA和BCF的相互作用提高了BCF的电导率，并增强了孔的传输效率。通过模拟和实验验证，即使在较低的Me4PA浓度下，Me4PA@BCF层也表现出显著的电导性和高效的电荷传输能力。此外，Me4PA@BCF孔传输层能够提供良好的界面接触，减少了FTO/钙钛矿Schottky接触的非辐射复合，有助于提高器件效率、可扩展性和可重复性。这种基质策略不仅适用于Me4PA，还能扩展到其他常用SAMs，从而提高倒置型钙钛矿太阳能电池(PSC)的性能和稳定性。
沉积在Me4PA@BCF HTL的钙钛矿
在Me4PA@BCF空穴传输层(HTL)上生长的钙钛矿薄膜显示出更好的质量，较大的晶粒尺寸以及更紧密的界面接触。相比于传统的SAM，使用Me4PA@BCF HTL的薄膜在GIWAXS和X射线衍射(GIXRD)图案中表现出更强的衍射强度和更窄的方位角强度谱，证明了其更优的结晶质量。此外，通过空间电荷限制电流(SCLC)测量，Me4PA@BCF基钙钛矿薄膜显示出较低的陷阱密度(4.91×10¹⁵ cm⁻³)，这有助于减少界面非辐射复合。基于此薄膜构建的倒置型钙钛矿太阳能电池(PSC)显示出26.11%的功率转换效率(PCE)，以及较高的开路电压(Voc 1.171 V)、短路电流密度(Jsc 26.43 mA cm⁻²)和填充因子(FF 84.34%)。相较于Me4PA基器件，Me4PA@BCF器件的所有参数均有所提高，且表现出微弱的滞后现象和较高的重复性。这些改进归因于界面复合的减少，进一步通过外量子效率电致发光(EQEEL)测试得到证实。最终，这些提升的界面特性使得Me4PA@BCF基钙钛矿器件具有更长的载流子寿命和更优的载流子传输性能。
规模化制备钙钛矿膜
在大面积钙钛矿太阳能模块的规模化制备中，使用溅射NiOx薄膜作为FTO基底已被认为是技术上更适合大规模生产的选择。然而，单独使用NiOx空穴传输层(HTL)的设备效率通常有限，因此与其他功能分子合作能更有效地提升性能。研究中，Me4PA和Me4PA@BCF HTL被沉积在溅射NiOx基底上，以提高大面积钙钛矿薄膜的覆盖性和润湿性。实验结果表明，Me4PA@BCF处理在NiOx基底上的薄膜覆盖更均匀，且与钙钛矿的界面接触更紧密，减少了界面空洞。此外，Me4PA@BCF薄膜的热稳定性优于Me4PA薄膜，经过150小时100℃的热老化后，Me4PA@BCF基器件保持了93.6%的初始PCE，而Me4PA基器件下降至72.3%。这表明Me4PA@BCF HTL能够有效提高器件的长期稳定性和热稳定性。进一步的XPS和紫外光电子能谱(UPS)分析表明，Me4PA@BCF修饰能够改善NiOx的导电性和电子空穴传输性能，有助于提升器件的效率和稳定性，证明了该策略在大面积太阳能模块中的应用前景。
大面积模组
在大面积钙钛矿太阳能模块的制备中，Me4PA@BCF空穴传输层(HTL)显示了优异的均匀性和性能。通过对5 cm × 5 cm钙钛矿薄膜的光致发光(PL)映射和紫外-可见吸收光谱的分析，发现Me4PA@BCF基薄膜的PL强度更高且分布更均匀，表现出更好的效率和更高的重复性。进一步将此技术应用于30 cm × 30 cm的大面积薄膜，结果显示Me4PA@BCF基膜具有更均匀的PL分布，预示着其在大面积高效太阳能模块中的应用潜力。最终，在1 m × 2 m的大型模块中，Me4PA@BCF HTL实现了20.05%的认证功率转换效率(PCE)，而Me4PA基模块的PCE仅为17.39%。这表明，Me4PA@BCF HTL在大规模钙钛矿太阳能模块的高效、稳定生产中具有广阔的应用前景。
总结与展望
本研究提出了一种创新的"SAM-in-matrix"孔传输层(HTL)策略，通过将自组装分子(SAM)分散到稳定的三氟苯基硼酸(BCF)基质中，成功解决了传统SAM分子堆积问题，显著提升了钙钛矿太阳能电池(PSC)的光电性能和稳定性。与传统的SAM HTL相比，Me4PA@BCF基孔传输层表现出了更优的电导性、更均匀的薄膜覆盖性及更低的界面复合损失，推动了大面积钙钛矿太阳能模块的高效制造，且1 m × 2 m的大面积模块达到20.05%的认证功率转换效率(PCE)。此外，该策略对钙钛矿太阳能模块的稳定性也有显著提升，Me4PA@BCF基器件在高温和长时间操作下表现出更好的耐久性。展望未来，"SAM-in-matrix"策略不仅为小面积的钙钛矿太阳能电池提供了高效稳定的解决方案，也为大规模、商业化生产提供了理论支持和技术路径。随着技术的进一步优化，该策略有望在可再生能源领域取得更广泛的应用，推动钙钛矿太阳能电池向更高效率和更长使用寿命的发展方向迈进。
文献来源
Liang, Y., Chen, G., Wang, Y. et al. A matrix-confined molecular layer for perovskite photovoltaic modules. Nature .
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