陳江照研究員JMCA：多功能有機銨鹽改性SnO2納米粒助力高效穩定鈣鈦礦太陽能電池

引言

自第一個全固態鈣鈦礦太陽能電池（PSC）報道以來，PSC的的效率和穩定性都取得了巨大的研究進展。迄今為止，PSC已經實現了高達25.5%的認證記錄效率。鑒于單結PSC的理論Shockley–Queisser極限效率超過30%。因此，PSC還有巨大的效率提升空間。此外，PSC差的運行穩定性嚴重阻礙了其大規模商業化應用。大量研究表明，PSC的體相和界面非輻射復合是PCE和穩定性損失的主要原因。因此，將體相和界面非輻射復合損失最小化來進一步提高功率轉換效率（PCE）和長期運行穩定性迫在眉睫。

相比于介孔二氧化鈦（TiO₂）基PSC，SnO₂基PSC因其低溫制備、低的J-V滯回、和優異的紫外穩定性等優點而獲得越來越多的關注。SnO₂基薄膜可通過以下方法制備，如溶膠凝膠法、化學浴沉積、量子點、商業納米粒等。相比于其他方法，目前商業化納米粒基PSC顯示了更高的PCE。然而，由于商業化SnO₂納米粒易于團聚而導致其PSC常常擁有差的重復性，這是研究人員趕到困惑并且阻礙了其進一步發展。在過去幾年，人們已經開發了各種各樣的分子來改性SnO₂納米粒從而增加器件的PCE和穩定性，如乙二胺四乙酸、NH₄Cl、肝素鉀、聚乙二醇等。因此，迫切需要設計與開發更高效的分子來改性SnO₂納米粒，從而同時提升器件的PCE和穩定性。

除了SnO₂電子傳輸層，鈣鈦礦薄膜的質量也是制備高效穩定PSC的關鍵。迄今為止，各種各樣的策略已經被采用來調控鈣鈦礦結晶和薄膜質量，如鈣鈦礦組分工程、添加劑分子工程、非化學計量比設計、維度工程、前驅體和反溶劑工程、鈣鈦礦生長襯底設計等。其中，鈣鈦礦生長襯底工程在調控鈣鈦礦結晶方面已經被證明是一種非常有效的方法。除了鈣鈦礦結晶調控以外，在SnO₂/鈣鈦礦界面的缺陷與器件穩定性、PCE和J-V遲滯密切相關。人們已經開發了一些界面分子來鈍化該界面的缺陷，但是這些界面分子并不能改善鈣鈦礦的形貌。值得一提的是，人們已經開發了一些界面分子來修飾SnO₂/鈣鈦礦界面，既能改善鈣鈦礦的結晶又能鈍化界面陷阱態。然而，尋找一種簡單而有效的方法來同時實現SnO₂的電學性能的改善、界面缺陷的鈍化以及鈣鈦礦結晶的改善依然是一個巨大的挑戰。有趣的是，尤等開發了一種分子改善了SnO₂和鈣鈦礦薄膜的質量，該方法還改善了界面接觸，增加了器件的效率和穩定性。該工作表明尋找一種簡單而有效的方法來同時實現SnO₂的電學性能的改善、界面缺陷的鈍化以及鈣鈦礦結晶的改善是行之有效的。因此，迫切需要設計與開發更高效的多功能改性分子來同時提升器件的效率和穩定性。

研究進展

近日，重慶大學陳江照研究員團隊在J. Mater. Chem. A上發表了一篇題目為 “Multifunctional organic ammonium salt modified SnO₂ nanoparticles toward efficient and stable planar perovskite solar cells” 的研究文章，報道了一種新型有效的多功能修飾策略，即通過引入具有多個官能團的吉拉爾特試劑T（GRT）分子來修飾SnO₂納米粒子，從而抑制了SnO₂納米顆粒的團聚、改善SnO₂薄膜的電學性能、促進鈣鈦礦晶體的垂直生長、增加了鈣鈦礦的晶粒尺寸以及鈍化了界面缺陷，從而顯著降低了體相和界面非輻射復合損耗。結果，器件的開路電壓從1.075 V提升到1.146 V。基于GRT改性的器件實現了21.63%的PCE。相比之下，控制器件的PCE僅僅為19.77%。而且，經過GRT改性后器件的穩定性也得到了明顯的提升。基于GRT改性的非封裝器件在60 ℃老化720小時后保持其初始PCE的99.5%，在一個太陽光照射672小時后保持其初始PCE的58.5%。該研究為設計多功能修飾分子來提升器件的效率和穩定性提供了指導。

圖文簡介

圖1.（a）SnO₂和SnO₂+GRT薄膜上沉積鈣鈦礦薄膜的制備過程示意圖。圖中表明GRT能促進SnO₂納米粒子的均勻分散和鈣鈦礦晶體的垂直生長；（b） GRT、SnO₂或SnO₂+GRT的水溶液數碼照片；（c）SnO₂和SnO₂+GRT薄膜的FTIR光譜；（d） SnO₂和SnO₂+GRT薄膜的XPS光譜；（e）SnO₂和SnO₂+GRT溶液的Zeta電位；（f）SnO₂和（g）SnO₂+GRT溶液不同老化時間的DLS光譜

圖2.（a）SnO₂/鈣鈦礦和SnO₂+GRT/鈣鈦礦薄膜的UV-vis吸收光譜；（b）SnO₂/鈣鈦礦和SnO₂+GRT/鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜；（c）ITO/ SnO₂/鈣鈦礦和（d）ITO/ SnO₂+GRT/鈣鈦礦樣品的斷面SEM圖像；（e）ITO/ SnO₂/鈣鈦礦/PCBM/BCP/Ag和（f）ITO/ SnO₂+GRT/鈣鈦礦/PCBM/BCP/Ag結構純電子器件的暗I-V曲線；（g）glass/鈣鈦礦和（h）glass/GRT/鈣鈦礦的熒光mapping圖像

圖3. 在glass、SnO₂和GRT改性SnO₂襯底上沉積的鈣鈦礦薄膜的（a）穩態熒光光譜和（b）瞬態熒光光譜；在（c）SnO₂和（d）SnO₂+GRT襯底上制備的鈣鈦礦薄膜的熒光mapping圖；基于 SnO₂和SnO₂+GRT電子傳輸層的PSCs的（e）瞬態光電流和（f）瞬態光電壓衰減曲線；（g） V_OC與光強的函數關系；（h） 基于SnO₂和SnO₂+GRT電子傳輸層的器件的Nyquist圖

圖4.（a）控制和目標器件的PCE統計分布圖；（b） 冠軍器件的J-V曲線；（c）遲滯因子的統計分布圖；（d）冠軍器件的IPCE光譜；基于（e）SnO₂和（f）SnO₂+GRT的冠軍器件的穩態電流密度和PCE輸出

圖5.（a）器件的濕度穩定性；（b）器件的熱穩定性；（c） 器件的光照穩定性

文獻鏈接

Bi, X. Zuo, B. Liu, D. He, L. Bai, W. Wang, X. Li, Z. Xiao, K. Sun, Q. L. Song, Z. Zang and J. Chen Multifunctional organic ammonium salt modified SnO₂ nanoparticles toward efficient and stable planar perovskite solar cells. Journal of Materials Chemistry A, 2021, DOI: 10.1039/D0TA12612H.

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