華科Adv. Mater.：多功能聚合物調節的SnO2納米晶用于提高平面鈣鈦礦太陽能電池的界面接觸效率和穩定性

【研究背景】

鈣鈦礦型太陽能電池（PSCs）由于其高功率轉換效率（PCE）（>20%）和簡單的溶液制備工藝等，在過去的十年中引起了廣泛的研究興趣。特別地，平面結構的PSCs可以用低溫（≤150℃）溶液基工藝制造，這是一種節能且與柔性基板兼容的工藝。隨著界面缺陷的出現，鈣鈦礦層中的離子遷移和陷阱態也被認為是磁滯效應的起源。改善致密TiO₂層的電子性能是提高規則平面PSCs性能的有效方法。同時，開發各種低溫可加工電子傳輸層（ETL）材料，如SnO₂、BaSnO₃、ZnO、富勒烯衍生物等，似乎有利于平面PSCs的發展。

【成果簡介】

近日，華中科技大學武漢光電國家研究中心李雄教授通過改善SnO₂ ETL和鈣鈦礦層之間的界面接觸，提高了平面PSCs的效率和穩定性。引入一種生物聚合物（肝素鉀，HP）來調節SnO₂納米晶的排列，并誘導鈣鈦礦的垂直定向生長。相應地，基于SnO₂-HP的器件在剛性襯底上的平均效率為23.03%，增強的開路電壓（V_OC）為1.162V，并且具有較高的再現性。由于加強了界面結合，器件獲得了很高的運行穩定性，在1個太陽光照強度下，在最大功率點運行1000 h后仍保持97%的初始性能（功率轉換效率，PCE>22%）。此外，HP改性的SnO₂ ETL在柔性和大面積器件中具有廣闊的應用前景。該文章近日以題為“Multifunctional Polymer-Regulated SnO2 Nanocrystals Enhance Interface Contact for Efficient and Stable Planar Perovskite Solar Cells”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、SnO₂膠體分散體的穩定化及器件制作

（a）分散液中SnO₂納米晶體的分布，薄膜中SnO₂納米晶體的排列以及有無HP的SnO₂薄膜上鈣鈦礦層的晶體生長示意圖。

（b）有無HP的新鮮和老化SnO₂膠態分散體的數字圖像，以及相應的DLS光譜。

（c）有無HP的SnO₂納米晶體的TEM圖像。

（d）SnO₂和SnO₂-HP薄膜的GIXRD圖。

（e-f）沉積在SnO₂和SnO₂-HP薄膜上的鈣鈦礦層的橫截面SEM圖像和GIXRD圖。

圖二、SnO₂與HP的相互作用及其對鈣鈦礦層的影響

（a）SnO₂、SnO₂-HP和HP薄膜的FTIR光譜，比較了歸屬于C=O和S=O的信號。

（b）SnO₂和SnO₂-HP膜的XPS光譜，比較了Sn（3d_3/2，3d_5/2）的峰。

（c）SnO₂-HP納米晶體的TEM元素圖分析。

（d-e）ITO、ITO/SnO₂和ITO/SnO₂-HP上鈣鈦礦層的穩態和TRPL光譜。

圖三、基于SnO₂和SnO₂-HP的平面PSCs的器件性能

（a）在反向掃描中測量的基于SnO₂和SnO₂-HP的電池的典型J-V曲線。

（b）基于SnO₂和SnO₂-HP的HP電池的穩態功率輸出效率。

（c）基于SnO₂和SnO₂-HP的電池的EQE和積分電流密度譜。

（d）SnO₂和SnO₂-HP電池的PCE直方圖。

（e）V_OC對基于SnO₂和SnO₂-HP的平面PSCs的光強度的依賴性。

（f）使用SnO₂和SnO₂-HP作為ETL在ITO/PET上制造的柔性平面PSC進行反向掃描時測得的J-V曲線。

（g）使用SnO₂和SnO₂-HP作為ETL在ITO/PET上制作的柔性平面PSC微型模塊的反向掃描測量的J-V曲線。

圖四、器件的長時間穩定性

（a）對基于SnO₂和SnO₂-HP的高性能平面PSCs器件在恒定的模擬太陽光照（100 mW cm^-2）條件下(不含紫外截止濾波器)連續跟蹤1000小時的最大功率點（MPP）。

（b）以SnO₂和SnO₂-HP為ETL作為彎曲周期函數的柔性平面PSCs的PCE演化。

【結論展望】

綜上所述，作者介紹了一種用于穩定SnO₂膠體分散和沉積SnO₂納米晶有序排列的薄膜的HP生物聚合物。研究發現，這種策略能夠通過誘導混合陽離子鈣鈦礦的垂直定向生長來加強ETL和鈣鈦礦層之間的界面接觸。相應地，基于SnO₂-HP的平面PSCs在剛性基板上的平均效率超過23%，在柔性基板上的平均效率為19.47%。此外，在1個太陽光照強度下，電池在其MPP上的工作穩定性也很高，這為平面PSCs的ETL和界面的改進提供了一種簡便易行的方法，使其成為高效、穩定的鈣鈦礦光電器件。

文獻鏈接：Multifunctional Polymer-Regulated SnO₂ Nanocrystals Enhance Interface Contact for Efficient and Stable Planar Perovskite Solar Cells (Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003990)

本文由大兵哥供稿。

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