“分子胶”使钙钛矿太阳能电池更加稳定可靠

诸平

Researchers have used self-assembled monolayer "molecular glue" totoughen interfaces in perovskite solar cells to make them more efficient,stable and reliable. Credit: Padture lab/Brown University

据美国布朗大学（Brown University）2021年5月6日提供的消息，该校一个研究团队朝着提高钙钛矿太阳能电池（一种新兴的清洁能源技术）的长期可靠性迈出了重要的一步。在一项有助于使廉价、高效的钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells）更接近商业用途的研究中，研究人员找到了一种方法来增强电池内部结构的关键薄弱点，从而显著延长其功能寿命。相关研究结果于2021年5月7日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Zhenghong Dai, Srinivas K. Yadavalli, Min Chen, Ali Abbaspourtamijani, Yue Qi, Nitin P. Padture. Interfacial toughening with self-assembled monolayers enhances perovskite solar cell reliability. Science, 07 May 2021; 372 (6542): 618-622. DOI: 10.1126/science.abf5602

在此论文中，研究小组展示了一种“分子胶”，它可以防止细胞内部的关键界面降解。这种处理可以极大地提高电池随时间的稳定性和可靠性，同时还可以提高将太阳光转化为电能的效率。

布朗大学工程学教授，这项新研究的通讯作者尼丁·帕德特（Nitin Padture）说：“在提高钙钛矿型太阳能电池的能量转换效率方面取得了长足进步。” “但是在技术广泛可用之前要克服的最后一个障碍是可靠性-使电池能够随着时间的推移保持其性能稳定。这是我的研究小组一直在努力的目标之一，我们很高兴地报告一些重要的研究进展问题。”

钙钛矿是一类具有特定晶体原子结构的材料。十几年前，研究人员表明钙钛矿非常擅长吸收光，这引发了对钙钛矿太阳能电池的大量新研究。这些电池的效率迅速提高，现在可以与传统硅电池媲美。不同之处在于钙钛矿光吸收剂可以在接近室温的温度下制造，而硅则需要在接近2700 ℉的温度下从熔体中生长出来。钙钛矿薄膜的厚度也比硅晶片薄约400倍。相对容易的制造过程和较少材料的使用意味着钙钛矿电池可以以硅电池成本的一小部分来制造。

尼丁·帕德特说，尽管钙钛矿的效率显著提高，但使电池更稳定，更可靠仍然具有挑战性。问题的一部分与制造功能电池所需的分层有关。每个电池包含五个或更多不同的层，每个层在发电过程中执行不同的功能。由于这些层由不同的材料制成，因此它们对外力的反应不同。同样，在制造过程和维修期间发生的温度变化，可能会导致某些层比其他层更多地膨胀或收缩。这会在层界面处产生机械应力，从而导致各层解耦。如果接口受损，则单元的性能将下降。

这些界面中最弱的是用于吸收光的钙钛矿薄膜与电子传输层之间的界面，后者使电流流向电池。布朗大学分子与纳米级创新研究所（Institute for Molecular and Nanoscale Innovation at Brown University）的负责人尼丁·帕德特说：“链条的强度与其最薄弱的环节一样强，我们将此接口确定为整个堆栈中最薄弱的部分，最有可能发生故障。” “如果我们能够加强这一点，那么我们就可以开始真正提高其可靠性。”

为此，尼丁·帕德特利用他作为材料科学家的经验，开发了用于飞机发动机和其他高性能应用的先进陶瓷涂层。他和他的同事开始尝试使用称为自组装单分子层（self-assembled monolayers 简称SAMs）的化合物进行实验。

尼丁·帕德特说：“这是一大类化合物。当将它们沉积在表面上时，分子会以单层的形式组装并像短发一样竖立起来。通过使用正确的配方，您可以在这些化合物与各种不同表面之间形成牢固的结合。”

尼丁·帕德特和他的团队发现，一侧含硅原子，另一侧含碘原子的SAM配方可以与选择传输层（通常由氧化锡制成）和钙钛矿光吸收层形成牢固的键。研究小组希望由这些分子形成的键可以加强层界面。实践证明能使他们如愿。

尼丁·帕德特说：“当我们将SAM引入界面时，我们发现它使界面的断裂韧性提高了约50％，这意味着在界面处形成的任何裂纹都不会传播得很远。因此，实际上，SAM成为一种将两层粘合在一起的分子胶。”

对太阳能电池功能的测试表明，SAMs大大延长了钙钛矿电池的功能寿命。为该研究准备的非SAM电池在约700小时的实验室测试中保留了其初始效率的80％。同时，经过1330小时的测试，SAM电池仍然保持坚固。根据这些实验，研究人员预计80％的保留效率寿命约为4000小时。

布朗大学博士研究生，此项研究的第一作者戴正宏（Zhenghong Dai音译）说：“我们做过的另一件事是人们在通常情况下不做的，就是在测试后打开了电池。” “在没有SAM的控制单元中，我们看到了各种损坏，例如空隙和裂纹。但是，有了SAM，坚固的界面看起来确实不错。这是一次巨大的进步，确实使我们感到震惊。”

尼丁·帕德特表示，重要的是，韧性的提高并不是以能量转换效率为代价的。实际上，SAM确实少量提高了电池效率。发生这种情况是因为SAM消除了在没有SAM的情况下两层结合时形成的微小分子缺陷。

尼丁·帕德特说：“提高功能设备的机械完整性的首要原则是'无伤害'。” “因此我们可以在不损失效率的情况下提高可靠性，甚至可以提高效率，这真是一个惊喜。”

SAM本身由容易获得的化合物制成，并易于在室温下通过浸涂工艺进行涂覆。尼丁·帕德特说，因此添加SAMs可能不会增加生产成本。

研究人员计划在这一成功的基础上继续进行深入研究。既然他们已经强化了钙钛矿太阳能电池堆中最薄弱的一环，他们想挑战下一个最弱的环节，然后是再下一个最弱的环节，依此类推，直到他们强化了整个电池堆为止。这项工作将不仅要加强界面，而且要加强材料层本身。最近，尼丁·帕德特的研究小组从美国能源部获得了150万美元的资助，以扩大研究范围。尼丁·帕德特说：“这种研究是使电池廉价、高效、性能良好数十年所必需的。”上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

 Tougher solar cell interfaces

The low formation energies of the active layers in perovskite solar cells lead to low-toughness materials that are compliant and soft, which limits their interface stability and long-term reliability. Dai et al. show that treatment with iodine-terminated self-assembled monolayers that react with surface hydroxyl groups (which ultimately creates unwanted charge traps and voids) leads to a 50% increase of adhesion toughness between the electron transport layer and a mixed-composition perovskite thin film. The projected point at which 80% of the operating efficiency in perovskite solar cells was still retained increased from ～700 to 4000 hours for 1-sun exposure with continuous maximum power point tracking.

Science, this issue p. 618

Abstract

Iodine-terminated self-assembled monolayer (I-SAM) was used in perovskite solar cells (PSCs) to achieve a 50% increase of adhesion toughness at the interface between the electron transport layer (ETL) and the halide perovskite thin film to enhance mechanical reliability. Treatment with I-SAM also increased the power conversion efficiency from 20.2% to 21.4%, reduced hysteresis, and improved operational stability with a projected T80 (time to 80% initial efficiency retained) increasing from ~700 hours to 4000 hours under 1-sun illumination and with continuous maximum power point tracking. Operational stability–tested PSC without SAMs revealed extensive irreversible morphological degradation at the ETL/perovskite interface, including voids formation and delamination, whereas PSCs with I-SAM exhibited minimal damage accumulation. This difference was attributed to a combination of a decrease in hydroxyl groups at the interface and the higher interfacial toughness.