【引言】

鈣鈦礦材料在成膜過程中的分解是不可控的，會導(dǎo)致其表面產(chǎn)生大量的離子缺陷。這些缺陷不利于鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能和穩(wěn)定性。研究人員在電池中引入有機(jī)界面層來解決這個問題。然而，很多界面修飾層大多數(shù)是電絕緣并受到其厚度的限制以避免產(chǎn)生過高的串聯(lián)電阻。因此，開發(fā)同時具有電荷傳輸能力和保護(hù)陽離子的功能性界面層很有必要。

【成果簡介】

中國科學(xué)院化學(xué)研究所李永舫研究員和UCLA楊陽教授（共同通訊作者）在(FAPbI₃)_1?x(MAPbBr₃)_x 鈣鈦礦太陽能電池中采用低成本的、穩(wěn)定的共軛聚合物PTQ10作為雙功能界面層。首先，PTQ10作為錨定層抑制退火過程中有機(jī)陽離子的揮發(fā)，阻止鈣鈦礦表面的陽離子的逃逸，確保鈣鈦礦晶體的化學(xué)計(jì)量平衡。第二，PTQ10作為空穴界面層有效地改善空穴的提取和傳輸。最后，平面鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.2%。該鈣鈦礦太陽能電池器件能經(jīng)受持續(xù)的 85°C的熱退火超過430小時。相關(guān)成果發(fā)表在JACS上，第一作者是UCLA博士后孟磊，現(xiàn)為化學(xué)研究所項(xiàng)目研究員。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. PTQ10對 FAPbI ₃ 膜的影響

a.PTQ10的分子結(jié)構(gòu)示意圖

b.表面涂覆了PTQ10的 FAPbI₃ 膜的tauc plot圖

c.表面涂覆了PTQ10（左，w/PTQ10）和表面未涂覆PTQ10（右，w/o PTQ10）的鈣鈦礦膜的SEM圖

d.兩種鈣鈦礦膜的XPS圖

圖2. 鈣鈦礦膜的GIWAXS圖和表征

a, b.兩種鈣鈦礦膜（a:w/o PTQ10；b:w/PTQ10）的二維GIWAXS圖

c.兩種鈣鈦礦膜的極像圖

d.表面涂覆PTQ10的鈣鈦礦膜的晶體的取向

圖3. 光伏性能和光致發(fā)光性能

a.鈣鈦礦和界面層的能級

b.鈣鈦礦太陽能電池在AM1.5G的光照下的電流密度-電壓曲線

c.含有PTQ10的鈣鈦礦太陽能電池的外量子效率光譜圖

d.穩(wěn)態(tài)能量裝換效率

e,f.兩種鈣鈦礦膜的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜圖（e）和時間分辨光致發(fā)光光譜圖（f）

圖4. 瞬態(tài)光電壓和瞬態(tài)光電流

a.三種鈣鈦礦太陽能電池的瞬態(tài)光電壓

b.三種鈣鈦礦太陽能電池的瞬態(tài)光電流

圖5. 鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性和EDX譜圖

a.室溫、相對濕度為40%、無封裝的條件下的環(huán)境穩(wěn)定性

b.在85°C的氮?dú)庀渲械臒岱€(wěn)定性

c.老化后的基準(zhǔn)器件的Ag、I、Pb三種元素的EDX線掃描

d.老化后的含有PTQ10的鈣鈦礦太陽能電池的Ag、I、Pb三種元素的EDX線掃描

【小結(jié)】

作者在平面n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池中引入了PTQ10作為雙功能界面層。它具有深能級，和基于FA的鈣鈦礦的價帶形成良好的能級匹配，促進(jìn)空穴的提取。保護(hù)陽離子的相轉(zhuǎn)化技術(shù)也阻止鈣鈦礦表面的陽離子在退火過程中逃逸，確保鈣鈦礦的化學(xué)當(dāng)量平衡。鈣鈦礦晶體有最佳的取向，導(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池的最佳能量轉(zhuǎn)換效率為21.2%。同時，它的熱穩(wěn)定性非常出色。作者相信這種方法會為鈣鈦礦膜的表面的化學(xué)當(dāng)量平衡的精準(zhǔn)控制和選擇高性能的鈣鈦礦太陽能電池的新型界面材料提供更多幫助。

文獻(xiàn)鏈接：Tailored Phase Conversion under Conjugated Polymer Enables Thermally Stable Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 21%（J. Am. Chem. Soc. ，2018，DOI: 10.1021/jacs.8b10520）