接觸角測(cè)量揭示TTC疏水層對(duì)鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的影響

有機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦材料因優(yōu)異光電性能推動(dòng)鈣鈦礦電池的研究，但該電池存在不穩(wěn)定性，尤其對(duì)水分敏感，影響其商業(yè)應(yīng)用。

TTC層在鈣鈦礦的晶界上有效地沉積，對(duì)晶粒表面和晶界進(jìn)行了鈍化，從而減少了鈣鈦礦太陽能電池的界面復(fù)合，在鈣鈦礦薄膜上的疏水小分子 TTC 形成了一層防水層，保護(hù)鈣鈦礦免受水分損害。

本文研究了一種有機(jī)小分子四十二烷作為平面p-i-n 鈣鈦礦電池的中間層。通過引入TTC層，實(shí)現(xiàn)了高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）和高填充因子（FF），同時(shí)TTC層作為一種疏水層，有效保護(hù)了鈣鈦礦膜免受水分損害，提高了電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在空氣中連續(xù)暴露200小時(shí)后，仍保持了87%的初始效率。

鈣鈦礦前驅(qū)體的制備

混合：將 MAI、PbI2 和 DMSO 粉末按照 11 的摩爾比例混合在無水 DMF 中。溶解：將上述混合物在室溫下攪拌過夜，以確保充分溶解。

過濾：使用 0.22 μm PVDF（聚偏氟乙烯）濾膜對(duì)溶液進(jìn)行過濾，以去除可能存在的不溶性顆粒或雜質(zhì)。

制備：完成過濾后的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液用于下一步的旋涂過程。鈣鈦礦太陽能電池的制造

用ITO（銦錫氧化物）玻璃基底，首先用洗滌劑清洗，然后依次用去離子水、丙酮和異丙醇沖洗。用氮?dú)獯蹈珊螅M(jìn)行紫外臭氧處理10分鐘，以清潔和粗糙化基底表面，增強(qiáng)后續(xù)層的附著力。

整個(gè)制造過程在室溫下、空氣中進(jìn)行，確保了工藝的可擴(kuò)展性和低成本性。通過精確控制每一層的厚度和質(zhì)量，以及優(yōu)化各層之間的界面，可以顯著提高鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩(wěn)定性。鈣鈦礦太陽能電池性能的評(píng)估

鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)及相關(guān)材料特性

鈣鈦礦太陽能電池的層級(jí)結(jié)構(gòu)：包括ITO基底、空穴傳輸層、鈣鈦礦層、TTC鈍化層、C60電子傳輸層、BCP和Ag電極。

TTC層位于鈣鈦礦層和C60電子傳輸層之間，作為鈍化材料，有助于減少界面復(fù)合并提高電子提取效率。

TTC/C60涂層的鈣鈦礦薄膜的衍射峰強(qiáng)度顯著降低，這可能是由于TTC改善了鈣鈦礦表面的覆蓋率。對(duì)不同鈍化層的鈣鈦礦薄膜進(jìn)行了UV-Vis光譜測(cè)量。與原始鈣鈦礦相比，含有各種鈍化層的薄膜顯示出類似的吸收行為，表明TTC層對(duì)光吸收的影響較小。

結(jié)果表明，TTC層的引入有效地改善了鈣鈦礦表面的覆蓋率和晶體質(zhì)量，同時(shí)對(duì)光吸收的影響較小，有助于提高電池的性能和穩(wěn)定性。不同鈍化層對(duì)鈣鈦礦表面和電荷復(fù)合的影響

鈣鈦礦太陽能電池表面形貌和電荷動(dòng)力學(xué)

頂視SEM圖像：原始鈣鈦礦的圖像顯示了鈣鈦礦的典型表面特征，包括晶粒和晶界。

TTC層沉積在鈣鈦礦表面，有助于填充晶界和表面缺陷，減少表面粗糙度。C60層同樣可以覆蓋鈣鈦礦表面，減少表面粗糙度。TTC和C60的組合涂層進(jìn)一步改善了表面形貌，提供了更均勻和平滑的表面。

AFM圖像：通過比較鈣鈦礦、TTC/鈣鈦礦、C60/鈣鈦礦和C60/TTC/鈣鈦礦薄膜的AFM圖像，可以看出TTC和C60的引入顯著降低了表面粗糙度，其中TTC/C60組合涂層效果最佳。

TRPL光譜：原始鈣鈦礦顯示出較長(zhǎng)的熒光壽命，表明高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。C60涂層的TRPL壽命顯著縮短，表明電子從鈣鈦礦到C60的快速轉(zhuǎn)移。TTC涂層的TRPL壽命與原始鈣鈦礦相似，表明TTC的絕緣性質(zhì)阻止了電子的轉(zhuǎn)移。TTC/C60涂層的TRPL壽命增加，表明TTC層改善了電子的提取和減少了界面復(fù)合。

PL光譜：原始鈣鈦礦具有最強(qiáng)的PL強(qiáng)度，峰位在774 nm；C60涂層的PL強(qiáng)度降低，峰位藍(lán)移至771 nm，表明表面和晶界陷阱態(tài)的減少；TTC涂層的PL強(qiáng)度進(jìn)一步降低，表明TTC層有效地鈍化了鈣鈦礦表面的缺陷態(tài)。

TTC和C60的引入不僅改善了鈣鈦礦薄膜的表面質(zhì)量，還顯著提高了電子提取效率和減少了界面復(fù)合，從而提高了鈣鈦礦太陽能電池的性能。鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能

鈣鈦礦電池光電性能和穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

隨著TTC 厚度增加到1nm 及以上，電池性能顯著提升，TTC 厚度為 2nm 時(shí)達(dá)到最佳，此時(shí)Voc略微升高至 1.084V，Jsc提高到 23.07mA/cm2，F(xiàn)F 增加至 79.41%，PCE 達(dá)到 20.05% 的高效率。

當(dāng) TTC 厚度超過 3nm時(shí)，由于電子隧穿困難，電池性能嚴(yán)重下降。這表明 TTC 層的厚度對(duì)電池性能有著關(guān)鍵影響，合適厚度的 TTC 層能夠有效優(yōu)化電池的光電轉(zhuǎn)換性能。

在350 - 800nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，TTC 修飾的電池EQE 響應(yīng)增強(qiáng)。通過 EQE 光譜積分計(jì)算得到的電流密度分別為 20.99mA/cm2（對(duì)照）和 22.01mA/cm2（TTC），與太陽能模擬器測(cè)量得到的Jsc值吻合，說明 TTC 層有助于提高電池對(duì)光生載流子的收集效率。

帶有 TTC 層的電池滯后現(xiàn)象可忽略不計(jì)，而僅含C60的電池存在明顯滯后。這說明TTC鈍化層能夠有效阻塞晶界處的離子遷移通道，減少離子遷移對(duì)光電流滯后的影響，從而提高電池的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

TTC層的引入顯著提高了電池的光電性能，包括提高PCE、減少J-V遲滯、降低暗電流密度和改善電子提取效率。此外，TTC層還有助于提高電池的穩(wěn)定性和抑制離子遷移。不同涂層的表面潤(rùn)濕性（接觸角）測(cè)試

電池穩(wěn)定性曲線和接觸角測(cè)試

設(shè)備穩(wěn)定性測(cè)試

在連續(xù)光照下，未添加TTC層的電池效率隨時(shí)間顯著下降。

添加TTC層的電池顯示出更好的穩(wěn)定性，即使在長(zhǎng)時(shí)間光照后，仍能保持較高的效率。這表明TTC層有效保護(hù)了鈣鈦礦層免受水分和氧氣的侵蝕。

接觸角測(cè)試

接觸角分析：通過測(cè)量水接觸角來評(píng)估不同涂層鈣鈦礦薄膜的表面潤(rùn)濕性。

原始鈣鈦礦：展示了相對(duì)較小的接觸角，表明表面親水性較強(qiáng)。

鈣鈦礦/C60：C60層的引入略微改善了表面的疏水性，接觸角有所增加。

鈣鈦礦/TTC：TTC層的引入顯著提高了表面的疏水性，接觸角達(dá)到103°，表明TTC層能有效阻止水分的滲透。

鈣鈦礦/TTC/C60：盡管C60層的加入略微降低了接觸角，但仍然保持在91°的較高水平，表明TTC和C60的組合涂層仍然提供了良好的疏水保護(hù)。

在穩(wěn)定性方面，對(duì)不同薄膜的接觸角測(cè)量表明，TTC 薄膜具有高達(dá)103°的水接觸角，展現(xiàn)出極強(qiáng)的疏水性。這一特性有效阻止了水向鈣鈦礦內(nèi)部的滲透，在其表面形成良好的防水層。美能接觸角測(cè)試儀CAT-S

美能接觸角測(cè)試儀CAT-S采用光學(xué)成像的原理，通過圖像輪廓分析方式測(cè)量樣品表面接觸角、潤(rùn)濕性能、表界面張力、表面能、滾動(dòng)（滑落角）、前進(jìn)后退角等性能。

• 國(guó)內(nèi)首創(chuàng)接觸角前10s緩存回放
• 具有自動(dòng)滴液功能

動(dòng)靜態(tài)接觸角、表面能、表界面張力等測(cè)量功能

在鈣鈦礦太陽能電池的研究和開發(fā)中，對(duì)材料表面特性的精確測(cè)量至關(guān)重要。美能接觸角測(cè)試儀CAT-S通過其先進(jìn)的光學(xué)成像原理和圖像輪廓分析技術(shù)，我們能夠精確測(cè)量樣品表面的接觸角、潤(rùn)濕性能、表界面張力和表面能等關(guān)鍵參數(shù)，提供了關(guān)于TTC層疏水性能的重要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于優(yōu)化電池設(shè)計(jì)和提高電池穩(wěn)定性至關(guān)重要。

原文出處：Surface Passivation of Perovskite Solar Cells Toward Improved Efciency and Stability

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