南方科大&港城大 AFM：基于無摻雜劑的無機-有機雙空穴傳輸層PSCs實現了22.0%的功率轉換效率

【背景介紹】

在過去幾年里，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）由于其快速發展的太陽能轉換效率（PCE）從3.8％提高到25.2％。但是，只有通過使用有機材料（Spiro-OMeTAD）或基于聚合物的PTAA作為空穴傳輸層（HTLs），才能在常規結構（n-i-p）中實現PSCs的突破性性能。這些有機HTLs的高成本和低穩定性阻礙了PSCs的商業化。因此，開發新型的無摻雜劑、低成本的HTLs是增強PSCs穩定性和降低生產成本的有效策略。盡管大量深入研究了無機或有機HTLs，但它們都存在不同的問題。此外，目前僅有很少報道通過使用單一的共軛聚合物材料作為HTLs來獲得優異的性能。因此，一種更有效的策略是結合無機HTLs（高空穴遷移率）和共軛聚合物（優異的成膜性）的優勢來構建無機-有機雙HTLs。然而，在制造無機-有機雙HTLs的過程中需要解決以下幾個問題，才能獲得PSCs的最佳性能：（1）為了降低生產成本，需要通過簡單的溶液可加工方法沉積無機HTL；（2）應將共軛聚合物溶于無機HTL的正交溶劑中，以免損壞無機HTL；（3）無機HTL和共軛聚合物的能級應匹配，以改善PSCs中的空穴傳輸

【成果簡介】

基于此，南方科技大學的徐保民教授和香港城市大學的Alex K. Y. Jen教授（共同通訊作者）團隊聯合報道了一種通過在CuSCN和Au界面層之間引入具有高環境穩定性、空穴遷移率、匹配能級以及在非極性溶劑中具有高溶解度的超薄聚合物層二噻吩-苯（DTB）來構建無機-有機（CuSCN/DTB）雙HTLs。該策略不僅通過形成級聯能級提高了電荷傳輸效率，而且還防止了由于CuSCN與Au電極之間的反應而導致的CuSCN降解。同時，CuSCN層也促進了CuSCN/DTB結構中形成無針孔且致密的DTB層，使得用CuSCN/DTB層制造的PSCs達到了22.0％（認證效率：21.7％）的功率轉換效率，這是基于無摻雜HTLs的PSCs最高效率之一。此外，基于雙HTLs的PSC器件在60％以上的相對濕度（RH）下不封裝，在60 d后保持其初始效率的95％以上，并且在100 mW cm^-2的連續照射下工作1000 h后仍可以保持其初始效率的95％。同樣，基于CuSCN/DTB雙HTLs的PSCs保留了90％的初始效率，并在85oC的溫度下加熱100 h后具有出色的熱穩定性。鑒于通過無機-有機雙HTLs顯著提高的性能也普遍適用于其它基于HTLs的PSCs，故而這種方法將為設計高穩定性和低成本的HTL向PSCs的實際應用提供一個新方向。研究成果以題為“Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells with 22.0% Efficiency Based on Inorganic-Organic Dopant-Free Double Hole Transporting Layers”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。本文第一作者是南方科技大學研究生：劉暢。

【圖文解讀】

圖一、無機-有機雙層PSC的裝置和能級示意圖
（a）無機-有機雙層PSC裝置的示意圖。

（b）基于CuSCN/DTB雙HTL的PSC的能級圖。

圖二、CuSCN和CuSCN/DTB雙層的表面形貌表征
（a-c）ITO/SnO₂/鈣鈦礦/CuSCN、ITO/SnO₂/鈣鈦礦/DTB和ITO/SnO₂/鈣鈦礦/CuSCN/DTB的AFM圖像；

（d-f）ITO/SnO₂/鈣鈦礦/CuSCN、ITO/SnO₂/鈣鈦礦/DTB和ITO/SnO₂/鈣鈦礦/CuSCN/DTB的SEM圖像。

圖三、基于CuSCN/DTB的PSC的結構與性能
（a）基于CuSCN/DTB的器件的截面SEM圖像；

（b）CuSCN/DTB器件的電流密度-電壓（J-V）曲線；

（c）PSC器件的相應EQEs。

（d）穩定功率輸出和穩態電流測試（時間：180 s）。

圖四、探究CuSCN和DTB層對PSCs性能的影響
（a-b）石英/鈣鈦礦、石英/鈣鈦礦/CuSCN、石英/鈣鈦礦/DTB和石英/鈣鈦礦/CuSCN/DTB的PL和TRPL；

（c）基于CuSCN、DTB和CuSCN/DTB的PSCs的電化學阻抗譜；

（d）VOC對CuSCN器件、DTB器件和CuSCN/DTB器件的光強度依賴性。

圖五、不同條件下的PSCs的光/熱穩定性
（a）在環境條件下（RH>60％）進行穩定性測量；

（b）在氮氣氣氛下，存儲的PSC器件的光照穩定性；

（c）在85^oC下的熱穩定性測試。

【小結】

綜上所述，研究人員在CuSCN和Au電極之間沉積了一層薄且均勻的DTB層，以構建無機-有機（CuSCN/DTB）雙HTLs。其中，匹配的能級和改善的表面形態可以有效增強PSCs中空穴的提取和傳輸。基于CuSCN/DBT的PSCs的PCE達到了22.0％（認證效率：21.7％），可能是基于HTL的不含摻雜劑的PSCs中創記錄的PCE。此外，加入DTB可以有效地抑制CuSCN的降解，有助于進一步擴展PSCs的穩定性。基于CuSCN/DTB的PSCs可以在持續的全陽光照射1000 h后，仍然保持>95％的初始效率。在較高的相對濕度和較高的熱應力下，基于CuSCN/DTB的PSC器件均具有出色的穩定性。總之，該工作為鈣鈦礦型太陽能電池的大規模生產提供了設計低成本和高穩定性HTLs的替代方法。

文獻鏈接：Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells with 22.0% Efficiency Based on Inorganic-Organic Dopant-Free Double Hole Transporting Layers（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201908462）

通訊作者簡介

徐保民講席教授：1986年獲清華大學材料科學學士學位；1991年獲中國科學院上海硅酸鹽研究所材料科學博士學位；1994-1996年在美國賓州州立大學材料研究所博士后學習，之后任材料研究所研究助理教授。2000年11月至2014年7月在美國施樂公司PARC研究中心 (Xerox Palo Alto Research Center) 擔任高級研究員，項目經理。現為南方科技大學材料科學與工程系講席教授。徐保民教授擁有完整的在美國頂尖大學和國際一流工業研究中心的領導和管理經驗，并致力于有產業化前景的基礎研究。他已發表論文60余篇，獲授權美國發明專利31項，其中23項專利為第一或唯一發明人，3項專利被施樂公司授予最佳專利獎，還擔任APL、 JAP、 IEEE-UFFC、JACerS等國際著名雜志的長期審稿人。

本文由CQR編譯。

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