華北電力大學李美成團隊Joule：平面TiO2鈣鈦礦太陽電池新突破！

導讀

近年來，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽電池發展迅猛，受到人們廣泛關注。其中，平面結構的鈣鈦礦太陽電池與介孔結構相比，具有結構簡單、可低溫制備等優點，在疊層電池和柔性電池方面顯示出突出的應用潛力。在平面鈣鈦礦電池中，二氧化鈦、二氧化錫和氧化鋅等憑借其優異的材料特性，被設計制備成電子傳輸層并深入研究。目前，基于二氧化錫電子傳輸層的平面鈣鈦礦電池已經獲得了超過25%的認證效率。然而，研究更早、成本更低、儲量更豐富的二氧化鈦材料，相應平面鈣鈦礦電池的認證效率停留在23%左右，遠低于肖克利-奎瑟爾極限。上述的性能差距與二氧化鈦薄膜質量及其與鈣鈦礦薄膜的界面接觸性能有關。因此，有必要開發出一種適用于平面鈣鈦礦電池的二氧化鈦薄膜精準調控策略，以提升二氧化鈦薄膜質量及其界面特性，進而提升電池性能。

成果掠影

近日，華北電力大學李美成教授團隊提出了一種基于配體工程的TiO₂沉積策略，通過在TiO₂化學水浴前驅液中引入有機配體，調控水浴沉積過程，實現有效應用于高性能鈣鈦礦太陽電池的TiO₂電子傳輸層的制備，獲得了24.8%的電池效率。研究成果以“24.8%-efficient planar perovskite solar cells via ligand-engineered TiO₂?deposition”為題發表在CellPress旗下能源旗艦期刊《Joule》上。黃浩、崔鵬為第一作者，李美成教授為唯一通訊作者。

核心創新

以酒石酸作為配體為例，配體工程沉積策略可以有效抑制TiO₂薄膜表面的顆粒團聚，得到致密平整的電子傳輸層。平整光滑的TiO₂表面確保了與鈣鈦礦薄膜的緊密接觸。另外，TiO₂薄膜表面附著的酒石酸分子，可以和鈣鈦礦底端的鉛原子成鍵，從而形成界面交聯結構。可靠的界面接觸和交聯結構有效降低了界面接觸電阻，增強了界面電荷傳輸。最終，制備出的平面鈣鈦礦太陽電池，獲得了24.8%的光電轉換效率，該效率是已報道的TiO₂基平面鈣鈦礦太陽電池的最高效率。

數據概覽

圖一、配體工程沉積策略對TiO₂表面微觀形貌的影響研究。

圖二、基于配體工程沉積的TiO₂薄膜性能表征。

圖三、TiO₂對鈣鈦礦薄膜生長影響研究及界面結構研究。

圖四、TiO₂基平面鈣鈦礦太陽電池光電轉化效率表征。

圖五、TiO₂基平面鈣鈦礦太陽電池界面電荷轉移表征。

圖六、電池器件穩定性表征。

成果啟示

綜上所述，作者報道了一種配體工程沉積策略來精確調節TiO₂薄膜及其界面結構，降低了電池的界面接觸電阻，增強了界面電荷抽取，最終TiO₂基平面鈣鈦礦太陽電池獲得了24.8%的光電轉換效率，填充因子超過0.83。此外，TiO₂基鈣鈦礦太陽電池的紫外穩定性和濕度穩定性都得到了有效增強。未封裝電池在環境空氣中老化2000 h，仍可保持其初始效率的95%。該配體工程沉積策略也可以推廣應用于其它無機電子傳輸層，如二氧化錫和氧化鋅，為推動平面鈣鈦礦太陽電池等光電器件的發展提供了參考。

論文鏈接：Huang et al., 24.8%-efficient planar perovskite solar cells via ligand-engineered TiO₂?deposition, Joule (2022).

DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.07.004