将可持续碳纳米粒子整合到倒置混合钙钛矿太阳能电池中以提高光电性能

《GLOBAL CHALLENGES》：Integration of Sustainable Carbon Nanoparticles Into Inverted Hybrid Perovskite Solar Cells to Enhance Optoelectronic Performance

　　高效率杂化钙钛矿太阳能电池的碳纳米颗粒添加剂研究。通过绿色合成方法制备四种不同碳源与氮源比例的碳纳米颗粒（CA:Trp=100:0,80:20,75:25,70:30），并探究其对MAPI基杂化钙钛矿太阳能电池（HPSCs）性能的影响。采用同步辐射2D GIWAXS技术分析薄膜结晶特性，发现70CA添加剂最佳，使PCE从8.2%提升至10%，显著提高电荷传输效率和减少复合损失。通过XPS、TEM和EIS分析，证实氮掺杂的CNPs能有效钝化晶界缺陷并优化界面特性。该研究为低成本、高性能HPSCs的可持续制造提供了新策略。

　　在当今可再生能源的发展趋势中，太阳能技术正成为最具前景的解决方案之一。随着研究的深入，第三代薄膜太阳能电池因其优异的性能和低成本的制造工艺而备受关注。其中，基于铅卤化物钙钛矿的太阳能电池因其独特的光学和电学特性，如可弯曲性、溶液工艺的可行性、可调带隙以及高光吸收系数，被广泛研究和应用。然而，这类材料仍然面临诸多挑战，例如环境稳定性差、铅的毒性问题以及难以控制多晶薄膜的质量。这些因素限制了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率和长期使用性能。为了克服这些问题，研究人员不断探索新的策略，例如通过添加剂改善钙钛矿的结晶过程和界面性能，从而提升其光电器件的整体表现。

碳纳米颗粒（CNPs）作为一种新型的添加剂，因其优异的光学性质和良好的电荷传输能力，被广泛应用于PSCs的优化中。本文提出了一种绿色、低成本的方法，通过使用柠檬酸（CA）作为碳源和L-色氨酸（Trp）作为氮掺杂剂来合成CNPs。这种合成方法在常温下进行，避免了使用有毒化学品和高温条件，从而保证了其可持续性和环境友好性。研究团队制备了四种不同CA:Trp重量比的CNPs，分别为100:0（100CA）、80:20（80CA）、75:25（75CA）和70:30（70CA），并系统地评估了这些材料在钙钛矿太阳能电池中的应用效果。

在对CNPs进行表征时，研究团队通过多种手段对其光学、结构和形态特性进行了详细分析。例如，通过热重分析（TGA）可以观察到不同样品在不同温度范围内的质量损失情况，从而判断其热稳定性。同时，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）进一步揭示了CNPs的化学组成和表面功能基团的变化。结果显示，随着Trp含量的增加，CNPs中的氮元素比例也随之上升，表明氮掺杂成功。此外，X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）的分析表明，CNPs呈现出非晶态或弱晶态结构，而其中的钠氯化合物（NaCl）作为副产物被保留下来，这可能对最终器件的性能产生一定影响。为了进一步验证CNPs的结构特性，研究团队还对样品进行了拉曼光谱和荧光光谱分析，发现其具有良好的发光性能，特别是在70CA组分中，由于氮掺杂的增强，荧光强度显著提高。

在将CNPs引入钙钛矿薄膜的过程中，研究团队通过使用同步辐射源的二维掠入射广角X射线散射（2D-GIWAXS）技术，系统地分析了CNPs对钙钛矿结晶行为和晶面取向的影响。实验结果表明，CNPs的加入不仅促进了钙钛矿的均匀结晶，还改善了其表面质量，减少了晶界处的缺陷，从而有效提升了光电器件的性能。此外，研究团队还通过不同的曝光时间评估了钙钛矿薄膜在空气中长期暴露后的结构稳定性，发现CNPs的加入并未显著改变钙钛矿的晶体结构，说明其对钙钛矿的稳定性具有积极作用。

在器件的制备方面，研究团队采用了一种倒置结构的工艺流程，这不仅提高了电池的灵活性，还降低了加工所需的能量消耗。具体而言，器件的结构包括：玻璃/氧化铟锡（ITO）基底、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为空穴传输材料（HTM）、苯基-C61-丁酸甲酯（PC61BM）作为电子传输材料（ETM），以及薄层的浴酚（BPHEN）作为电子传输层与背电极之间的缓冲层。这种倒置结构的引入使得电池在加工过程中能够以较低的温度完成退火，相较于传统无机ETM材料（如TiO?）所需的450°C，仅需约100°C的退火温度，这大大降低了能耗并提高了设备的可加工性。

在性能测试方面，研究团队通过电流-电压（J-V）曲线和外部量子效率（EQE）测量，评估了不同CNPs组分对钙钛矿太阳能电池性能的影响。实验结果表明，70CA组分在所有CNPs中表现最佳，其功率转换效率（PCE）从基准器件的8.2%提升至10%，并且其填充因子（FF）也得到了显著改善。这种提升主要归因于CNPs对钙钛矿薄膜的钝化作用，有效减少了电荷陷阱和复合中心，从而提高了光生载流子的迁移效率和器件的整体性能。此外，通过电化学阻抗谱（EIS）分析，研究团队进一步揭示了CNPs对器件电荷传输过程的影响。结果显示，70CA组分的器件表现出更高的复合电阻（R_rec），表明其在减少电荷复合方面的优势。同时，EIS数据还显示，CNPs的加入改善了钙钛矿薄膜的介电特性，这可能与薄膜的结构均匀性和电荷传输效率的提升有关。

为了进一步验证CNPs在钙钛矿太阳能电池中的作用，研究团队还探讨了其在不同浓度下的性能表现。通过实验发现，0.25 mg/mL的70CA浓度在提升PCE方面最为有效，同时保持了较高的填充因子。然而，当CNPs的浓度增加到0.50 mg/mL时，虽然填充因子有所提高，但短路电流密度（J_SC）和开路电压（V_OC）却出现下降，这表明过量的CNPs可能对钙钛矿的电荷传输特性产生负面影响。因此，研究团队认为，在钙钛矿太阳能电池中，CNPs的浓度需要精确控制，以达到最佳的性能平衡。

此外，研究团队还对CNPs的副产物——钠氯化合物（NaCl）进行了分析。通过在钙钛矿溶液中加入相同浓度的NaCl，研究团队发现其对器件性能的影响可以忽略不计，表明NaCl的存在并未对钙钛矿太阳能电池的性能造成明显干扰。这一发现为CNPs在实际应用中的可行性提供了有力支持，即其主要作用是通过表面功能基团的引入来改善钙钛矿的结晶质量和电荷传输特性，而非由副产物引起。

综上所述，本文通过系统研究绿色CNPs作为添加剂在钙钛矿太阳能电池中的应用，揭示了其在提升器件性能方面的潜力。CNPs的合成方法简单、环保，并且其引入能够有效改善钙钛矿薄膜的结晶质量、表面缺陷和电荷传输效率，从而显著提高太阳能电池的功率转换效率。这一研究不仅为钙钛矿太阳能电池的优化提供了新的思路，也为实现更高效、更稳定的太阳能电池体系奠定了基础。未来，研究团队计划进一步探讨CNPs及其功能基团对钙钛矿结晶过程和晶面取向的具体影响，以期找到更有效的策略来提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。