中科院化学所李永舫&UCLA杨阳JACS：高热稳定钙钛矿太阳能电池的能量转换效率超过21%

【引言】

钙钛矿材料在成膜过程中的分解是不可控的，会导致其表面产生大量的离子缺陷。这些缺陷不利于钙钛矿太阳能电池的光伏性能和稳定性。研究人员在电池中引入有机界面层来解决这个问题。然而，很多界面修饰层大多数是电绝缘并受到其厚度的限制以避免产生过高的串联电阻。因此，开发同时具有电荷传输能力和保护阳离子的功能性界面层很有必要。

【成果简介】

中国科学院化学研究所李永舫研究员和UCLA杨阳教授（共同通讯作者）在(FAPbI₃)_1−x(MAPbBr₃)_x 钙钛矿太阳能电池中采用低成本的、稳定的共轭聚合物PTQ10作为双功能界面层。首先，PTQ10作为锚定层抑制退火过程中有机阳离子的挥发，阻止钙钛矿表面的阳离子的逃逸，确保钙钛矿晶体的化学计量平衡。第二，PTQ10作为空穴界面层有效地改善空穴的提取和传输。最后，平面钙钛矿太阳能电池的能量转换效率达到21.2%。该钙钛矿太阳能电池器件能经受持续的 85°C的热退火超过430小时。相关成果发表在JACS上，第一作者是UCLA博士后孟磊，现为化学研究所项目研究员。

【图文导读】

图1.PTQ10对 FAPbI₃ 膜的影响

a.PTQ10的分子结构示意图

b.表面涂覆了PTQ10的 FAPbI₃ 膜的tauc plot图

c.表面涂覆了PTQ10（左，w/PTQ10）和表面未涂覆PTQ10（右，w/o PTQ10）的钙钛矿膜的SEM图

d.两种钙钛矿膜的XPS图

图2.钙钛矿膜的GIWAXS图和表征

a, b.两种钙钛矿膜（a:w/o PTQ10；b:w/PTQ10）的二维GIWAXS图

c.两种钙钛矿膜的极像图

d.表面涂覆PTQ10的钙钛矿膜的晶体的取向

图3.光伏性能和光致发光性能

a.钙钛矿和界面层的能级

b.钙钛矿太阳能电池在AM1.5G的光照下的电流密度-电压曲线

c.含有PTQ10的钙钛矿太阳能电池的外量子效率光谱图

d.稳态能量装换效率

e,f.两种钙钛矿膜的稳态光致发光光谱图（e）和时间分辨光致发光光谱图（f）

图4.瞬态光电压和瞬态光电流

a.三种钙钛矿太阳能电池的瞬态光电压

b.三种钙钛矿太阳能电池的瞬态光电流

图5.钙钛矿太阳能电池的稳定性和EDX谱图

a.室温、相对湿度为40%、无封装的条件下的环境稳定性

b.在85°C的氮气箱中的热稳定性

c.老化后的基准器件的Ag、I、Pb三种元素的EDX线扫描

d.老化后的含有PTQ10的钙钛矿太阳能电池的Ag、I、Pb三种元素的EDX线扫描

【小结】

作者在平面n-i-p型钙钛矿太阳能电池中引入了PTQ10作为双功能界面层。它具有深能级，和基于FA的钙钛矿的价带形成良好的能级匹配，促进空穴的提取。保护阳离子的相转化技术也阻止钙钛矿表面的阳离子在退火过程中逃逸，确保钙钛矿的化学当量平衡。钙钛矿晶体有最佳的取向，导致钙钛矿太阳能电池的最佳能量转换效率为21.2%。同时，它的热稳定性非常出色。作者相信这种方法会为钙钛矿膜的表面的化学当量平衡的精准控制和选择高性能的钙钛矿太阳能电池的新型界面材料提供更多帮助。

文献链接：Tailored Phase Conversion under Conjugated Polymer Enables Thermally Stable Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 21%（J. Am. Chem. Soc. ，2018，DOI: 10.1021/jacs.8b10520）

本文由材料人编辑部kv1004供稿，材料牛整理编辑。感谢第一作者博士后孟磊对本文进行校稿！  

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