蘇大王兆奎團隊 AM：一舉多得！利用分子水平柔性中間層實現高效、柔性的鈣鈦礦太陽能電池

【背景介紹】

目前，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉換效率（PCE）最高可達25.2％。為了獲得高性能的器件，大量研究集中在調控鈣鈦礦的化學成分和優化電荷傳輸層。同時，還應強調鈣鈦礦與掩埋基質之間的相關效應。晶體結構不匹配、兩側剛性晶格單元熱膨脹不一致，都不利于鈣鈦礦的微觀結構。在分子水平上，鈣鈦礦材料由于應變積累效應導致相穩定性差，同時不可釋放的晶格應力也會加速材料退化。此外，具有固有結構脆性的非均質界面，一旦發生機械變形就易破碎。雖然大量的分子水平夾層被用來修飾基體/鈣鈦礦異質界面，但是大多數中間層集中于簡單地鈍化界面陷阱狀態。因此，同時滿足無應變的外延基底和鈣鈦礦薄膜在界面處的低陷阱狀態，具有重要意義和應用前景。

【成果簡介】

近日，蘇州大學的王兆奎教授（通訊作者）團隊報道了一種利用質子化銨硅烷偶聯劑（PASCA-Br）在TiO₂和鈣鈦礦層的夾層間，形成具有晶格單元結構的成分，從而對兩者進行定向的控制。在中間層上側的枕狀烷基溴化銨末端為鈣鈦礦提供了良好匹配的生長位點，從而減輕了界面應變和晶格畸變。同時，其優異的化學相容性對修復裸露鈣鈦礦晶體中未配位Pb原子和鹵素空位具有理想的效果。此外，PASCA-Br中間層還可以用作機械緩沖層，從而在彎曲時產生較少的鈣鈦礦裂痕。總之，所開發的分子級柔性中間層為PSCs及其應用提供了一種很有前途的界面工程。研究成果以題為“Perovskite Films with Reduced Interfacial Strains via a Molecular-Level Flexible Interlayer for Photovoltaic Application”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、TiO₂/PASCA-Br薄膜的制備與表征
（a）TiO₂和PASCA-Br層的制造過程示意圖；

（b-c）TiO₂和TiO₂/PASCA-Br薄膜對Ti 2p和O 1s的XPS光譜；

（d）TiO₂/PASCA-Br和PASCA-Br薄膜的Si 2p的XPS光譜；

（e）APTES和PASCA-Br修飾界面的質子化氨基末端（R-NH₃Br）和晶格結構。

圖二、不同基底上鈣鈦礦薄膜在平面內外上的晶格應變
（a）沉積在TiO₂、TiO₂/APTES和TiO₂/PASCA-Br基底上的鈣鈦礦薄膜的平面內和平面外GIXRD結果；

（b）鈣鈦礦薄膜的相應晶體應變在平面內和平面外的方向；

（c）計算的面內和面外晶格應變。

圖三、不同基底層上鈣鈦礦薄膜的性能
（a）界面處鈣鈦礦晶體的示意圖；

（b）從正反面在不同基底層上鈣鈦礦薄膜的穩態PL強度；

（c）在不同基底層上鈣鈦礦薄膜的瞬態PL強度；

（d-e）不同基底層上，器件的Mott-Schottky數據和TPC數據。

圖四、器件的性能
（a）在黑暗中，僅電子器件的溫度相關的J-V曲線；

（b）不同溫度下，計算出的μ_e值；

（c）基于不同基底層的tDOS分布；

（d）在FTO基底上，基于TiO₂、TiO₂/APTES和TiO₂/PASCA-Br的器件的J-V曲線；

（e）-dV/dJ與（d）中的(J_SC-J)^-1圖；

（f）相應的器件穩定的保存了1個月。

圖五、不同條件下鈣鈦礦薄膜的性能變化
（a）不同基質上，鈣鈦礦薄膜的頂部SEM形貌；

（b）彎曲實驗三遍后，鈣鈦礦不同膜片的光學圖像；

（c）不同的彎曲角度下，PCE的變化；

（d）不同的拉應力下，沉積在不同基底層上鈣鈦礦薄膜的拉伸應變；

（e）在PEN柔性基板上，基于TiO₂、TiO₂/APTES和TiO₂/PASCA-Br的器件的J-V曲線。

【小結】

綜上所述，作者報道了一種PASCA-Br的硅烷偶聯劑，將其作為TiO₂和鈣鈦礦層之間的薄層。首先，枕狀烷基溴化銨末端可作為鈣鈦礦生長的良好匹配生長位點，從而減輕晶格畸變和界面應變。其次，PASCA-Br中的R-NH₃Br末端可與未配位的Pb原子形成牢固的化學鍵，從而顯著降低晶格畸變。最后，PASCA-Br還可以通過改善鈣鈦礦薄膜的彎曲和拉伸能力而用作機械緩沖層。總之，所開發的方法適用于柔性設備中不同的無機和有機基底層。這種策略為制造高效、無應變的柔性PSCs提供了新思路。

文獻鏈接：Perovskite Films with Reduced Interfacial Strains via a Molecular-Level Flexible Interlayer for Photovoltaic Application（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001479）

本文由CQR編譯。

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