電子科技大學Adv. Funct. Mater.：相分離摻雜方法 “橋連”異質結界面制備高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池是一種新型的全固態太陽能電池，自2009年首次報道以來得到了飛速發展，其光電轉換效率已飆升至25.2%。但金屬氧化物電極/電子傳輸層、電子傳輸層/鈣鈦礦層異質結界面在制備過程中將不可避免地產生表面離子空位缺陷，嚴重影響著鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。雖然通過金屬氧化物電極或電子傳輸層的界面改性、表面摻雜等方式可有效改變其表面功函數、降低缺陷態數量，從而減少其空位缺陷對鈣鈦礦太陽能電池的影響，但此類方法往往涉及單一界面，不能同時兼顧金屬氧化物電極/電子傳輸層以及電子傳輸層/鈣鈦礦界面。因此，如何同時優化金屬氧化物/電子傳輸層以及電子傳輸層/鈣鈦礦層界面對鈣鈦礦太陽能電池具有重要意義。

【成果簡介】

近日，電子科技大學賈春陽教授團隊報道了一種新型的相分離電子傳輸層摻雜方式，以此緩解金屬氧化物-鈣鈦礦間異質結界面缺陷對鈣鈦礦太陽能電池的影響。該研究利用極性CsF n-型摻雜劑摻雜非極性的PC₆₁BM電子傳輸層，使其在表面能差異以及不同界面相互作用的驅動下實現分子-摻雜劑的原位相分離。結果表明，該方法在金屬氧化物-鈣鈦礦異質間界面實現了更好的能級匹配，同時有效地減少了金屬氧化物以及鈣鈦礦表面缺陷態，使其在能級以及缺陷態上實現了金屬氧化物電極與鈣鈦礦間異質結界面的“橋連”，最終獲得了高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池。

相關研究成果以題為“Vertical Phase Separated Cesium Fluoride Doping Organic Electron Transport Layer: A Facile and Efficient “Bridge” Linked Heterojunction for Perovskite Solar Cells”發表于Advanced Functional Materials (2020, 30, 2001418)，第一作者為團隊博士研究生夏建興，通訊作者為賈春陽教授。

【圖文導讀】

圖1. 相分離結構概述以及界面相互作用模擬

圖2. 相分離結構以及界面能級研究

圖3. 飛秒超快光譜及熒光光譜研究界面電荷傳輸特性

圖4. 鈣鈦礦晶體表面缺陷鈍化研究

圖5. 鈣鈦礦太陽能電池光伏性能研究

圖6. 鈣鈦礦太陽能電池穩定性研究

【小結】

結果表明，離子性摻雜劑CsF可通過表面能差異以及界面相互作用等驅動力從PC₆₁BM:CsF混合物中實現垂直相分離并累積于金屬氧化物電極表面。該摻雜方式有如下特點：1）金屬氧化物電極界面累積的CsF與其表面形成Cs-O界面偶極，改善其界面內建電場，有助于載流子抽取；2）PC₆₁BM內部分布的n-型摻雜劑，調制能帶結構，減少載流子傳輸勢壘；3）表面遺留的CsF鈍化鈣鈦礦薄膜表面離子缺陷，金屬氧化物界面累積的F離子填補其表面氧空位，從而減少異質結接觸界面缺陷。通過此摻雜方式可在缺陷態以及能級上“橋連”鈣鈦礦層和金屬氧化物之間的界面，以此降低異質結界面缺陷對鈣鈦礦太陽能電池的影響。最終基于此相分離摻雜方法制備的最佳鈣鈦礦太陽能電池獲得了20.93%的效率，其在空氣中放置60 天后仍保持初始效率的~ 89%。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202001418