應用分享 | 反光電子能譜IPES專輯之應用案例（一）-XPS

反式鈣鈦礦太陽能電池（Inverted Perovskite Solar Cells，IPSCs）是一種新型太陽能電池技術，其製備方法是將常規鈣鈦礦太陽能電池中的陽極和陰極位置倒置。IPSCs相較於(yu) 常規的PSCs，其電荷傳(chuan) 輸效率以及電池整體(ti) 的光電轉換效率都顯著提高。此外，IPSCs還具備良好的相容性、對水氧低敏感性以及工作溫度範圍寬等諸多優(you) 勢，對於(yu) 推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(ye) 化進程至關(guan) 重要。

鈣鈦礦吸收層與(yu) 空穴傳(chuan) 輸層之間界麵的相互作用是影響鈣鈦礦電池穩定性的關(guan) 鍵因素。對此，戚亞(ya) 冰教授研究團隊製備了一種類石墨烯共軛結構的自錨式苯並[rst]五酚（SA-BPP）分子，用以替代傳(chuan) 統的三苯胺和哢唑基的空穴選擇性分子，成功開發了新型的空穴選擇性接觸層。研究表明，使用SA-BPP製備的IPSCs具有更高的光穩定性和光電轉換效率。此外，SA-BPP分子結構中的錨定基團還可促使ITO基底上形成大規模的均勻的空穴接觸，並有效地鈍化鈣鈦礦吸光層。

圖1. BPP和SA-BPP分子的化學結構，以及SA-BPP空穴選擇性接觸的示意圖。

為(wei) 進一步研究新型SA-BPP分子的電學性能以及解析IPSCs的工作原理，該項工作借助紫外光電子能譜（UPS）和低能反光電子能譜（LEIPS）對樣品的高占據分子軌道（Highest Occupied Molecular Orbital，簡稱HOMO）和低未占分子軌道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital，簡稱LUMO）能級進行了詳盡表征，結果如圖2所示。UPS結果顯示BPP和SA-BPP的電離勢（Ionization Potential）分別為(wei) 5.05 eV和5.24 eV，相較於(yu) 鈣鈦礦（CsFAMAPbI3）薄膜的VBM（價(jia) 帶頂）各自提升了0.41 eV和0.22 eV。結合LEIPS分析，成功獲取了BPP和SA-BPP的帶隙，分別為(wei) 2.84 eV和2.78 eV。由於(yu) SA-BPP的帶隙更窄，加速了載流子的遷移，從(cong) 而提升了太陽能轉化為(wei) 電能的轉換效率。此外，SA-BPP分子中吸電子基團苯甲酸酯的存在降低了其本身的電子密度，導致HOMO能級也隨之降低，這點從(cong) LEIPS結果得到進一步證實。再者，與(yu) BPP和純ITO相比，SA-BPP的功函數更大，也很大提升了鈣鈦礦吸光層與(yu) 空穴接觸層之間載流子的傳(chuan) 輸效率。種種結果表明，采用SA-BPP製備的IPSCs性能更優(you) 。

圖2.（a）ITO、ITO/BPP、ITO/SA-BPP與(yu) （b）CsFAMAPbI3薄膜的UPS譜圖；（c）ITO/BPP、ITO/SA-BPP的電子能帶結構；（d）ITO、ITO/BPP、ITO/SA-BPP和鈣鈦礦CsFAMAPbI3薄膜的能級圖，EF紅色虛線表示。

LEIPS為(wei) 深入理解材料性能和器件構效關(guan) 係提供了重要指導，有助於(yu) 進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的使用壽命和運行穩定性，推動其商業(ye) 化應用。此外，LEIPS結合UPS能夠直接對半導體(ti) 材料的電學帶隙進行表征，可被廣泛應用於(yu) 研究材料的摻雜狀態、電子器件的表/界麵能級工程、材料的電荷轉移和載流子傳(chuan) 遞行為(wei) 等。

參考文獻

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