大连理工史彦涛团队最新AFM：单原子钛修饰炭黑和碳纳米管，通过模块化双碳电极将碳基钙钛矿太阳能电池PCE提升到22.45%- 大数跨境

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大连理工史彦涛团队最新AFM：单原子钛修饰炭黑和碳纳米管，通过模块化双碳电极将碳基钙钛矿太阳能电池PCE提升到22.45%

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2024-09-30

导读：大连理工史彦涛团队最新AFM：单原子钛修饰炭黑和碳纳米管，通过模块化双碳电极将碳基钙钛矿太阳能电池PCE提升到22.45%

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文章信息

大连理工史彦涛团队最新AFM：单原子钛修饰炭黑和碳纳米管，通过模块化双碳电极将碳基钙钛矿太阳能电池PCE提升到22.45%

第一作者：程嘉硕，马红茹，石炎颖

通讯作者：石炎颖*，王宇迪*，史彦涛*

单位：大连理工大学

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研究背景

在光伏技术的研究前沿，碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）凭借其卓越的稳定性赢得了广泛关注。尽管如此，相较于金属基钙钛矿太阳能电池（PSCs），C-PSCs在光电转换效率（PCE）方面仍有显著差距。其关键在于两个主要因素：一是碳电极在运输和收集载流子方面效率低下；二是与相邻功能层的能级不匹配。这些问题增加了电荷传输阻力和界面处的电荷注入势垒，从而降低了器件的整体效率。

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文章简介

近日，大连理工大学史彦涛课题组提出了一种提升C-PSCs器件PCE的有效策略，利用双碳电极和多尺度调控策略来优化电荷传输动力学。这项研究有三个关键方面：一是建立高导电性网络，二是确保足够的界面接触，三是实现良好匹配的能带对准。研究者通过将零维炭黑(CB)和一维碳纳米管(CNT)协同加入双碳电极中，形成了具有优异界面接触性能的弹性导电网络，为高效的载流子转移提供了有利条件。此外，通过将单原子级分散的钛原子担载于炭黑表面，可以实现对碳材料能级的精确调控，有效地解决了其与空穴传输层(spiro-OMeTAD)的能级不匹配问题，降低了界面处的电荷注入势垒，从而提升器件的整体性能。基于上述策略，C-PSCs的PCE显著提高至22.45%，在连续工作1000小时后，其光电转化效率仍保持在初始值的95%以上。

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本文要点

要点一：模块化双碳电极的构建

为了优化电荷转移动力学，研究者们设计了一种模块化双碳电极，利用炭黑（CB）和碳纳米管（CNT），以提高有效的载流子传输和收集在电极和相关接口，同时抑制非辐射复合损失。图1.a所示为模块化双碳基钙钛矿太阳能电池（DC-PSC）的示意性架构。它包括两个半电池，半电池A用作光阳极，半电池B用作对电极。光阳极由FTO、SnO₂、钙钛矿、spiro-OMeTAD和碳电极（C1）组成，而对电极由FTO和另一碳电极（C₂）组成。然后将两个独立的半电池堆叠在一起以形成完整的DC-PSC器件。这种创新的设计便于灵活地组装、拆卸、维护和更新，为未来薄膜太阳能电池的大规模模块化制造提供了方案。研究者们选择零维CB作为C1的电极材料，小的炭黑颗粒能够与相邻的功能层spiro-OMeTAD形成足够的界面接触，这有助于在C1电极与spiro-OMeTAD的界面处纵向提取光生电荷。研究者们选择一维CNT作为C2的电极材料（control为CB），其高纵横比结构可以插入零维CB中并实现有效的界面耦合。此外，一维CNT的存在丰富了电荷传输的途径，促进了电荷的水平横向收集。以CNT为C₂电极的CB-CNT DC-PSCs相较于control（CB DC-PSCs），其光学与电学性能获得了显著的提升。

图1. a) 模块化双碳钙钛矿太阳能电池（DC-PSCs）的示意图。左边的图像展示的是CB DC-PSCs，而右边的图像展示的是CB-CNT DC-PSCs。b) CB DC-PSCs和CB-CNT DC-PSCs的电流密度-电压（J–V）曲线。c–f) 光电转换效率（PCE）、填充因子（FF）、短路电流密度（JSC）和开路电压（VOC）的统计分布。g) CB DC-PSCs和CB-CNT DC-PSCs的Nyquist图。

要点二：Ti单原子担载调节炭黑能级结构

在DC-PSC中，碳电极和相邻功能层spiro-OMeTAD之间的能级失配会导致界面处形成能垒，阻碍空穴传输，进而加重载流子非辐射复合损失，最终影响器件整体性能。研究人员在炭黑（CB）表面成功担载了单原子级分散的钛（Ti）原子，制备出了炭黑担载钛单原子的新型碳电极材料Ti₁/CB。图2.（a）展示了Ti₁/CB的制备过程，包括三个步骤。最初，使用臭氧处理CB以增强其表面含氧官能团的存在。接着，将臭氧处理的CB分散在双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯的异丙醇溶液中。最后，在惰性气氛保护下加热，即可制备炭黑担载钛单原子的碳电极材料Ti₁/CB。

基于同步辐射的X射线吸收近边结构（XANES）谱和扩展X射线吸收精细结构谱（EXAFS）可进一步识别Ti₁/CB中Ti原子的配位结构（图2.b-e）。利用解析配位结构，研究者们可以建立CB和Ti₁/CB的化学结构模型，在此基础上，研究者们进行了DTF理论计算，研究了Ti原子对CB能带结构的影响。如图3a、3b所示，基于CB结构模型的能带结构在0.56 eV时存在带隙，说明CB具有半导体特性，不利于导电。在负载Ti原子后，费米能级移动到价带中，使Ti₁/CB具有金属特性和更高的电导率。为了进一步验证加载Ti原子对CB电导率的影响，研究者们对具有FTO/cabor/FTO结构的器件进行了LSV测试。如图3c所示，Ti1/CB的电导率优于CB，这与理论计算结果一致。DFT计算结果表明，引入SAMs-Ti可以改变CB的能级结构，使其功函数从4.28 eV提高到4.69eV（图3d和3e）。

如图3f所示，通过对二次电子截止光谱的分析，研究者们确定了CB和Ti₁/CB的费米能级(Ef)分别为4.02 eV和4.26 eV。在此基础上，研究者们构建了CB、Ti1/CB和Spiro-OMeTAD的能级对准图（图 3g），能级对准图显示，Ti₁/CB的能级结构和Spiro-OMeTAD排列良好，降低了Spiro-OMeTAD与碳电极界面上的电荷注入势垒。因此，Ti1/CB有望降低界面电荷耦合的可能性，提高电压，从而进一步提高DC-PSCs器件的性能。

图2. a) Ti₁/CB的合成路线示意图。b)不同样品的归一化Ti K边X射线吸收近边结构（XANES）光谱。c) Ti₁/CB与参考材料（Ti箔、TiC和TiO2）在R空间的k^2加权傅里叶变换（FT）光谱。d) Ti₁/CB扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱的曲线拟合分析。e) Ti₁/CB在q空间对应的拟合结果。

图3 .a-b）分别为CB和Ti₁/CB的理论能带结构和PDOS计算。c) FTO/CB/FTO或FTO/Ti₁/CB/FTO结构设备的LSV特性曲线，其中CB和Ti₁/CB层的厚度相同。插图：CB和Ti₁/CB的带隙示意图。d-e) CB和Ti₁/CB的静电势。f) CB和Ti₁/CB的UPS光谱。g) spiro-OMeTAD与CB或Ti₁/CB电极材料之间的能级对齐。

要点三：结论与展望

随后，研究者系统地比较了在FTO/SnO₂/钙钛矿/spiro-OMeTAD/CB(或Ti₁/CB)/CNT/FTO结构的DC-PSCs中，CB和Ti₁/CB作为碳电极的性能。图4a给出了两种DC-PSCs器件的J-V曲线。在模拟AM1.5 G太阳光照(100 mW cm⁻²)下，CB-CNT DC-PSCs器件的PCE为18.31%，开路电压（VOC）为1.08 V，短路电流（JSC）为24.23 mA cm⁻²，填充因子（FF）为69.98%。相比之下，基于Ti₁/CB-CNT的器件的PCE大幅提高，达到22.45%，VOC为1.13 V，JSC为24.61 mA cm⁻²，FF为80.72%。最后，研究者监测了这两种类型的DC-PSCs的长期光稳定性。如图4g所示，未封装的Ti₁/CB-CNT DC-PSCs的PCE即使在一个太阳强度下连续工作1000小时后仍保持在初始值的95%以上。这可能得益于碳电极的固有稳定性以及在spiro-OMeTAD和Ti₁/CB界面上高效的电荷提取和传输。

图4.a）基于CB-CNT和Ti₁/CB-CNT碳电极的DC-PSC冠军器件的J-V曲线。附表：光伏性能参数明细。B）CB-CNT DC-PSC和Ti₁/CB-CNT DC-PSC的光电参数VOC、FF、JSC和PCE的统计图。（3）Ti₁/CB-CNT DC-PSC的等效电路和积分电流曲线。d）Ti₁/CB-CNT DC-PSC的稳态电流密度和PCE。e）Mott-Schottky图。f）暗I-V曲线。g）CB-CNT DC-PSC和Ti₁/CB-CNT DC-PSC的长期操作稳定性。

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文章链接

Single-Atom Ti Decorated Carbon Black and Carbon Nanotubes: Modular Dual-Carbon Electrode for Optimizing the Charge Transport Kinetics of Perovskite Solar Cells

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202409533?msockid=02410ed9d9986f350ed01ce5d8d26e43

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通讯作者简介

石炎颖，大连理工大学化学学院博士研究生，中国共产党员，主要从事能源转换材料开发，光热驱动海水淡化，储能器件设计与优化，钙钛矿材料制备以及大面积和叠层太阳能电池的研究。以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Nano Energy，Carbon Energy等杂志发表SCI论文6篇；合作发表科研论文10余篇。

王宇迪，大连理工大学化工学院副教授，博士生导师，九三学社社员，主要从事钙钛矿材料制备及其光电、摩擦电器件、以及大面积和叠层太阳能电池的研究。以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A等杂志发表SCI论文20余篇；合作发表科研论文50余篇，共计引用3600余次，个人H因子26；参与撰写英文著作一部；授权国家发明专利2件；主持中国博士后面上一等资助项目，国家自然科学基金青年项目。

史彦涛，1981年生，大连理工大学化学学院，教授，博士生导师，入选国家高层次青年人才，以及“兴辽英才计划”青年拔尖人才。研究方向为新型薄膜太阳能电池和光/电催化材料。

先后主持国家自然科学基金面上项目/青年项目、辽宁省自然科学基金、大连市应用基础研究重点项目、大连理工大学重点项目等10余项，并参与科技部中美科技合作重大专项（子课题负责人）。2013年以来，以第一或通讯作者在Nature Energy, Joule, Nature Communications, Adv. Mater.，Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci.，Nano Energy等权威学术期刊发表SCI论文100余篇（影响因子10.0以上论文超过60篇）。发表文章被引用6800余次，个人H因子47，授权中国发明专利30余项。获得辽宁省2022年度自然科学二等奖。多次应邀在本领域重要国际/国内学术会议及研讨会进行学术报告。担任Nature, Nature Energy, Joule, Adv Mater、JACS、Angew Chem Int Ed等20余个权威学术期刊审稿人，担任Advanced Powder Materials、Smart Molecules, Materials期刊编委。