南方科大&港城大 AFM：基于无掺杂剂的无机-有机双空穴传输层PSCs实现了22.0%的功率转换效率

【背景介绍】

在过去几年里，钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其快速发展的太阳能转换效率（PCE）从3.8％提高到25.2％。但是，只有通过使用有机材料（Spiro-OMeTAD）或基于聚合物的PTAA作为空穴传输层（HTLs），才能在常规结构（n-i-p）中实现PSCs的突破性性能。这些有机HTLs的高成本和低稳定性阻碍了PSCs的商业化。因此，开发新型的无掺杂剂、低成本的HTLs是增强PSCs稳定性和降低生产成本的有效策略。尽管大量深入研究了无机或有机HTLs，但它们都存在不同的问题。此外，目前仅有很少报道通过使用单一的共轭聚合物材料作为HTLs来获得优异的性能。因此，一种更有效的策略是结合无机HTLs（高空穴迁移率）和共轭聚合物（优异的成膜性）的优势来构建无机-有机双HTLs。然而，在制造无机-有机双HTLs的过程中需要解决以下几个问题，才能获得PSCs的最佳性能：（1）为了降低生产成本，需要通过简单的溶液可加工方法沉积无机HTL；（2）应将共轭聚合物溶于无机HTL的正交溶剂中，以免损坏无机HTL；（3）无机HTL和共轭聚合物的能级应匹配，以改善PSCs中的空穴传输

【成果简介】

基于此，南方科技大学的徐保民教授和香港城市大学的Alex K. Y. Jen教授（共同通讯作者）团队联合报道了一种通过在CuSCN和Au界面层之间引入具有高环境稳定性、空穴迁移率、匹配能级以及在非极性溶剂中具有高溶解度的超薄聚合物层二噻吩-苯（DTB）来构建无机-有机（CuSCN/DTB）双HTLs。该策略不仅通过形成级联能级提高了电荷传输效率，而且还防止了由于CuSCN与Au电极之间的反应而导致的CuSCN降解。同时，CuSCN层也促进了CuSCN/DTB结构中形成无针孔且致密的DTB层，使得用CuSCN/DTB层制造的PSCs达到了22.0％（认证效率：21.7％）的功率转换效率，这是基于无掺杂HTLs的PSCs最高效率之一。此外，基于双HTLs的PSC器件在60％以上的相对湿度（RH）下不封装，在60 d后保持其初始效率的95％以上，并且在100 mW cm^-2的连续照射下工作1000 h后仍可以保持其初始效率的95％。同样，基于CuSCN/DTB双HTLs的PSCs保留了90％的初始效率，并在85oC的温度下加热100 h后具有出色的热稳定性。鉴于通过无机-有机双HTLs显着提高的性能也普遍适用于其它基于HTLs的PSCs，故而这种方法将为设计高稳定性和低成本的HTL向PSCs的实际应用提供一个新方向。研究成果以题为“Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells with 22.0% Efficiency Based on Inorganic-Organic Dopant-Free Double Hole Transporting Layers”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。本文第一作者是南方科技大学研究生：刘畅。

【图文解读】

图一、无机-有机双层PSC的装置和能级示意图
（a）无机-有机双层PSC装置的示意图。

（b）基于CuSCN/DTB双HTL的PSC的能级图。

图二、CuSCN和CuSCN/DTB双层的表面形貌表征
（a-c）ITO/SnO₂/钙钛矿/CuSCN、ITO/SnO₂/钙钛矿/DTB和ITO/SnO₂/钙钛矿/CuSCN/DTB的AFM图像；

（d-f）ITO/SnO₂/钙钛矿/CuSCN、ITO/SnO₂/钙钛矿/DTB和ITO/SnO₂/钙钛矿/CuSCN/DTB的SEM图像。

图三、基于CuSCN/DTB的PSC的结构与性能
（a）基于CuSCN/DTB的器件的截面SEM图像；

（b）CuSCN/DTB器件的电流密度-电压（J-V）曲线；

（c）PSC器件的相应EQEs。

（d）稳定功率输出和稳态电流测试（时间：180 s）。

图四、探究CuSCN和DTB层对PSCs性能的影响
（a-b）石英/钙钛矿、石英/钙钛矿/CuSCN、石英/钙钛矿/DTB和石英/钙钛矿/CuSCN/DTB的PL和TRPL；

（c）基于CuSCN、DTB和CuSCN/DTB的PSCs的电化学阻抗谱；

（d）VOC对CuSCN器件、DTB器件和CuSCN/DTB器件的光强度依赖性。

图五、不同条件下的PSCs的光/热稳定性
（a）在环境条件下（RH>60％）进行稳定性测量；

（b）在氮气气氛下，存储的PSC器件的光照稳定性；

（c）在85^oC下的热稳定性测试。

【小结】

综上所述，研究人员在CuSCN和Au电极之间沉积了一层薄且均匀的DTB层，以构建无机-有机（CuSCN/DTB）双HTLs。其中，匹配的能级和改善的表面形态可以有效增强PSCs中空穴的提取和传输。基于CuSCN/DBT的PSCs的PCE达到了22.0％（认证效率：21.7％），可能是基于HTL的不含掺杂剂的PSCs中创记录的PCE。此外，加入DTB可以有效地抑制CuSCN的降解，有助于进一步扩展PSCs的稳定性。基于CuSCN/DTB的PSCs可以在持续的全阳光照射1000 h后，仍然保持>95％的初始效率。在较高的相对湿度和较高的热应力下，基于CuSCN/DTB的PSC器件均具有出色的稳定性。总之，该工作为钙钛矿型太阳能电池的大规模生产提供了设计低成本和高稳定性HTLs的替代方法。

文献链接：Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells with 22.0% Efficiency Based on Inorganic-Organic Dopant-Free Double Hole Transporting Layers（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201908462）

通讯作者简介

徐保民讲席教授：1986年获清华大学材料科学学士学位；1991年获中国科学院上海硅酸盐研究所材料科学博士学位；1994-1996年在美国宾州州立大学材料研究所博士后学习，之后任材料研究所研究助理教授。2000年11月至2014年7月在美国施乐公司PARC研究中心 (Xerox Palo Alto Research Center) 担任高级研究员，项目经理。现为南方科技大学材料科学与工程系讲席教授。徐保民教授拥有完整的在美国顶尖大学和国际一流工业研究中心的领导和管理经验，并致力于有产业化前景的基础研究。他已发表论文60余篇，获授权美国发明专利31项，其中23项专利为第一或唯一发明人，3项专利被施乐公司授予最佳专利奖，还担任APL、 JAP、 IEEE-UFFC、JACerS等国际著名杂志的长期审稿人。

本文由CQR编译。

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