Energy Environ. Sci.: 克服鈣鈦礦電池陷阱缺陷的新思路—引入成對電偶極層

【引言】

鹵化物鈣鈦礦由于其優異的光電特性，成本低廉，制備工藝簡單，能帶連續可調等一系列優勢，受到了研究者的廣泛關注。尤其在太陽能電池領域，有機—無機雜化鈣鈦礦電池的光電轉換效率已經達到22.7%，超過了商業化的晶硅太陽能電池。然而，多晶鈣鈦礦薄膜不可避免地會在晶界處產生難以控制的陷阱缺陷，捕獲電子和空穴，進而嚴重影響器件的效率、可重復性和穩定性，限制鈣鈦礦電池的進一步發展。為了降低缺陷密度，一系列提高薄膜質量的方法如溶劑工程，引入添加劑等已經被嘗試，但是由于鈣鈦礦對于制備環境微小變化的敏感性，控制鈣鈦礦中的陷阱缺陷密度依舊是很大的挑戰。此外，對光生載流子施加一強電場，有效促使載流子到達對電極有望克服這一問題，因此尋找一種提高鈣鈦礦層中內建電場，進而有效提取光生載流子的方法至關重要。

【成果簡介】

近日，韓國GIST（光州科學技術院）Kwanghee Lee等人通過在陽極引入p-PFP-O作為空穴提取層，在陰極引入PFN作為電子提取層，在界面處形成強電偶極，設計了ITO/p-PFP-O/PTAA/perovskite/PC₆₁BM/PFN/Al 結構的平面型鈣鈦礦電池，提高鈣鈦礦層內建電場，降低器件中載流子非輻射復合損失，進而顯著提高電池的效率和可重復性，光電轉換效率最高達19.4%，平均效率18.0%，高于傳統載流子提取層（PEDOT:PSS和TiO_x）組裝的電池。相關成果以題為“Introducing paired electric dipole layers for efficient and reproducible perovskite solar cells”發表在Energy Environ. Sci.上。

【圖文導讀】

圖一 短路條件下P-I-N平面鈣鈦礦器件結構和能級示意圖

(a) 鈣鈦礦器件缺陷處載流子陷阱以及內建電場作用下載流子提取和脫陷阱過程圖解；

(b) 在半導體和金屬間引入成對電偶極層前后鈣鈦礦器件的能級示意圖。

圖二 鈣鈦礦器件結構及薄膜表征

(a) 電偶極層（p-PFP-O和PFN）的化學結構以及鈣鈦礦電池器件結構；

(b) 鈣鈦礦電池的能級示意圖；

(c)，(d) p-PFP-O or PEDOT/PTAA/MAPbI₃的表面SEM；

(e) p-PFP-O or PEDOT/PTAA/MAPbI₃的XRD；

(f) p-PFP-O or PEDOT/PTAA/MAPbI₃可見吸收光譜。

圖三 表面電勢、接觸電勢差表征

在不同基底(2μm*2μm)上PTAA的表面電勢圖：(a) ITO，(b) ITO/PEDOT:PSS，(c) ITO/p-PFP-O，(d) MAPbI₃/PC₆₁BM，(e) MAPbI₃/PC₆₁BM/TiO_x，

(f) MAPbI₃/PC₆₁BM/PFN；

CPD（接觸電勢差）柱狀圖：(g) ITO/PTAA，ITO/( PEDOT:PSS or p-PFP-O) /PTAA；(h) MAPbI₃/PCBM/(TiO_x or PFN)；

(i,h)CPD值分布圖。

圖四 PFN的界面偶極子取向示意圖

(a) Al（原位沉積）和Al/PFN（由ITO/PC₆₁PM/PFN/Al中分離）的UPS圖；

(b) Al/PFN的能級示意圖；

(c) Al沉積前后PFN中離子的不同取向示意圖。

圖五 鈣鈦礦電池器件性能

(a) 鈣鈦礦電池的J-V性能曲線；

(b) 鈣鈦礦電池的J-V性能曲線分布；

?(c) 歸一化后的鈣鈦礦電池J-V性能曲線圖；

(d) PCE，(e) J_sc，(f) FF，(g) V_oc的直方統計。

【小結】

該研究提出了一種簡單的提高鈣鈦礦內建電場的方法，合理地選擇了p-PFP-O和PFN分別作為空穴和電子提取層，引入強電偶極層，進而有效提取光生載流子，顯著提高了器件的效率及可重復性，為鈣鈦礦薄膜中陷阱缺陷問題的解決提供了新的思路。

文獻鏈接：Introducing paired electric dipole layers for efficient and reproducible perovskite solar cells（Energy Environ. Sci.2018,DOI: 10.1039/C8EE00162F）

通訊作者簡介

Kwanghee Lee，韓國GIST（光州科學技術院）材料科學與工程系教授，Heeger先進材料中心副主任，研究方向為聚合物器件如聚合物LED，聚合物太陽能電池，聚合物FET等，其重要成果發表在國際著名期刊Nature，Science，Nature Photonics，Adv. Mater，Phys.Rev，Adv.Funct.Mater等。

本文由材料人編輯部新人組楊小昆編輯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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