中科院化學所李永舫&UCLA楊陽JACS：高熱穩定鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率超過21%

【引言】

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

【成果簡介】

中國科學院化學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陽離子的揮發，阻止鈣鈦礦表面的陽離子的逃逸，確保鈣鈦礦晶體的化學計量平衡。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換效率達到21.2%。該鈣鈦礦太陽能電池器件能經受持續的 85°C的熱退火超過430小時。相關成果發表在JACS上，第一作者是UCLA博士后孟磊，現為化學研究所項目研究員。

【圖文導讀】

圖1.PTQ10對 FAPbI₃ 膜的影響

a.PTQ10的分子結構示意圖

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.穩態能量裝換效率

e,f.兩種鈣鈦礦膜的穩態光致發光光譜圖（e）和時間分辨光致發光光譜圖（f）

圖4.瞬態光電壓和瞬態光電流

a.三種鈣鈦礦太陽能電池的瞬態光電壓

b.三種鈣鈦礦太陽能電池的瞬態光電流

圖5.鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和EDX譜圖

a.室溫、相對濕度為40%、無封裝的條件下的環境穩定性

b.在85°C的氮氣箱中的熱穩定性

c.老化后的基準器件的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】

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，促進空穴的提取。保護陽離子的相轉化技術也阻止鈣鈦礦表面的陽離子在退火過程中逃逸，確保鈣鈦礦的化學當量平衡。鈣鈦礦晶體有最佳的取向，導致鈣鈦礦太陽能電池的最佳能量轉換效率為21.2%。同時，它的熱穩定性非常出色。作者相信這種方法會為鈣鈦礦膜的表面的化學當量平衡的精準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）

本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛整理編輯。感謝第一作者博士后孟磊對本文進行校稿！??

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