武汉理工程一兵团队Nature Communications：钾离子钝化SnO2/钙钛矿界面—印刷无迟滞高效柔性钙钛矿太阳能电池组件

【引言】

钙钛矿太阳能电池（PSC）目前效率超过23%，高于多晶硅，加上其可低成本可印刷，极具产业化前景，特别是柔性太阳能电池。二氧化锡（SnO₂）作为钙钛矿电池的电子传输层材料被广泛研究，相较于二氧化钛（TiO₂）其具有优异的载流子迁移率、合适的能级，并且可低温制备，在柔性器件上具有巨大的应用潜力。然而，大多数报道以SnO₂作为电子传输层的电池器件普遍存在迟滞问题。只有在采用商业Alfa-SnO₂纳米颗粒作为电子传输层时，电池器件没有迟滞现象，其内在原因仍然未知。此外，在粗糙、柔软、疏水的塑料衬底上实现大面积均匀印刷电子传输层仍然面临很大的挑战。如何制备高效稳定，高抗弯曲性能的柔性钙钛矿太阳能电池组件仍是一个巨大难题。

【成果简介】

近日，武汉理工大学程一兵院士团队的黄福志研究员和钟杰副研究员（共同通讯作者）发展了基于狭缝挤出印刷的SnO₂薄膜的高效无迟滞大面积柔性钙钛矿太阳能电池组件。研究发现，采用钾离子界面钝化方法可以普遍抑制氧化锡层引起的固有滞后现象。同时，实验揭示商业Alfa-SnO₂消除迟滞现象的原因也是由于溶液含氢氧化钾稳定剂。此外，研究者还采用多种方法合成制备SnO₂薄膜，并采用不同含钾化合物钝化，结果表明，是钾离子，而不是其配对阴离子，促进钙钛矿颗粒的生长，钝化界面，从而提高器件效率和稳定性。更重要的是，钾离子的存在可以有效消除各类氧化锡基钙钛矿太阳能电池器件迟滞问题，成为一个具有普适性的钝化策略。通过该方法制备小尺寸的刚性PSC效率高达20.5%，柔性PSC效率高达17.2%，大尺寸（5 × 6 cm²）柔性PSC组件的效率超过了15%。相关成果以题为“Universal passivation strategy to slot-die printed SnO₂ for hysteresis free efficient flexible perovskite solar module”发表在Nature Communications上。武汉理工大学—澳大利亚Monash大学联合培养博士生卜童乐为论文第一作者。

【图文简介】

图一 印刷制备SnO₂基柔性钙钛矿电池组件

图二 探索Alfa-SnO₂基电池器件无迟滞的原因

图三 钾离子钝化界面实现高效无迟滞电池器件

图四 钾离子的普遍钝化机理

图五 电池器件的物理表征

【小结】

在该研究中，作者证明了采用钾离子钝化不同方法制备的SnO₂都能消除钙钛矿电池器件的迟滞现象，同时提高器件光电转化效率和稳定性，实现大面积高效柔性钙钛矿电池组件超过15%，为世界最高效率。同时还揭示了商用Alfa-SnO₂胶体水溶液中的稳定剂KOH是导致该氧化锡基底电池器件无迟滞的原因。此外，作者还通过制备无热处理的钙钛矿器件证明了钾离子没有掺杂进入钙钛矿晶体结构中。结果表明钾离子促进了钙钛矿的成核结晶生长过程，提高了薄膜晶体质量，钝化了缺陷，消除器件迟滞，这一结果与其阴离子无关。该工作细致的研究了SnO₂的迟滞问题，并给出了相应的解释和解决办法，为实现高效稳定无迟滞的柔性大面积钙钛矿太阳能电池组件开辟了新的途径。

文献链接：Universal passivation strategy to slot-die printed SnO₂ for hysteresis-free efficient flexible perovskite solar module（Nat. Commun., 2018, 9: 4609. https://doi.org/10.1038/s41467-018-07099-9）

【团队介绍】

程一兵：澳大利亚Monash大学材料科学与工程系客座教授，澳大利亚工程院院士， 现为武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室教授。程一兵教授多年来主要从事无机非金属材料的制备技术及机理研究、染料敏化太阳能电池、新型有机－无机杂化薄膜太阳能电池等。已发表研究论文400余篇, 2016年在《Nature》杂志发表《Print Flexible Solar Cells》的评论文章。目前，程一兵教授在武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室建立了印刷光电子实验室，着重研究印刷制备新型高效薄膜太阳能电池和薄膜光电器件。

黄福志：武汉理工大学研究员。北京大学化学与分子工程学院分别获得学士学位和硕士学位（2002），墨尔本大学获得材料科学专业博士（2009），2009-2015年在Monash大学任Research Fellow。在Monash大学工作期间主要研究染料敏化太阳能电池和钙钛矿薄膜太阳能电池。2014年开发了制备高效钙钛矿电池的通用方法，效率达到17%以上，达到当时世界领先水平。2015年起任武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室研究员。在相关领域发表SCI论文100余篇，包括以通讯作者发表在能源领域顶级期刊的Nat. Commun.、Energy & Environ. Sci、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、 Nano Energy等。

钟杰：中南大学材料科学与工程学士，博士(2011.12)，澳大利亚蒙纳什大学联合培养博士生及研究助理(2008.9-2012.9)，武汉光电国家实验室博士后、讲师(2012.9-2015.3)。目前为武汉理工大学复合材料国家重点实验室副研究员。研究方向为多元无机薄膜太阳能电池及钙钛矿太阳能电池。首次合成水基铜锌锡硫硒（CZTS）纳米墨水，取得8.5%电池效率，为良性化印刷制备廉价环保的CZTS薄膜太阳能电池提供了有效途径，目前主要研究方向为钙钛矿电池及其组件的研发。在相关领域发表SCI论文50余篇，包括以通讯作者发表在能源领域顶级期刊的Nat. Commun.、Energy & Environ. Sci、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Chem. Mater.等。

本文由武汉理工大学程一兵团队供稿，材料人编辑。

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