陈江照&臧志刚：采用梯度2D/3D异质结工程同时钝化体相和界面缺陷实现高效稳定钙钛矿太阳能电池

一、【导读】

金属卤化物钙钛矿因其优异的光电性能而受到广泛关注，在各种光电器件中具有广阔的应用前景，主要包括太阳能电池、发光二极管和光电探测器。其中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于具有高功率转换效率（PCE）和低成本等优点而备受关注。迄今为止，基于各种策略优化（如成分工程、溶剂工程、添加剂工程、界面工程等），PSCs已取得 25.7% 的认证记录效率。然而，体相及界面缺陷阻碍了钙钛矿太阳能电池效率及稳定性的进一步提高。有效钝化晶界（GB）、表面和/或界面处的深能级缺陷对实现高效稳定PSCs至关重要。此外，GB 和界面处的缺陷密度远远高于钙钛矿晶粒内部的缺陷密度。因此，迫切需要对GB和界面的缺陷进行管理，从而同时抑制体相和界面非辐射复合，以进一步提高光伏性能。

众所周知，对与钙钛矿层相关的两个界面进行调控是制备高效稳定钙钛矿光伏器件的关键。近年来，研究者已经对钙钛矿与载流子传输层之间的界面进行了系统深入的研究。研究者已经采用多种界面材料（例如，路易斯酸、路易斯碱、电荷传输材料、二维 （2D）钙钛矿、宽带隙绝缘层、有机或无机盐等）来钝化界面缺陷。其中，二维钙钛矿界面工程已被广泛证明在钝化界面缺陷、调节界面能级排列和提高薄膜湿度稳定性方面非常有效。关于二维钙钛矿界面调控，有机间隔阳离子的开发对于实现高性能 PSCs至关重要。到目前为止，研究者已经开发了几种用于界面维度工程的有机间隔阳离子，如苯乙基铵（PEA⁺）、5-铵戊酸（5-AVA⁺）、正丁基铵（BA⁺）、4,4,4-三氟丁基铵（FBA⁺）、五氟苯乙基铵（FEA⁺）等。然而，用于制备2D界面层的间隔阳离子仍然非常有限。研究表明，基于2D/3D 异质结的器件性能高度依赖于阳离子结构。此外，迫切希望通过增加有机间隔阳离子的疏水性来提高薄膜的水分稳定性。据报道，氟化策​​略可以有效地提高有机间隔阳离子的疏水性。这些结果表明，为了进一步提高光伏性能，迫切需要开发更有效的疏水性有机间隔阳离子用于界面维度工程。目前，添加剂工程通常用于管理GB并钝化GB处的缺陷。然而，仅通过添加剂工程或界面工程很难同时钝化体相和界面缺陷。因此，迫切希望开发一种简单有效的策略来同时实现体相及界面缺陷的钝化。

二、【成果掠影】

鉴于此，重庆大学陈江照研究员和臧志刚教授报道了一种梯度2D/3D异质结工程策略，以实现体相和界面缺陷的同时钝化。梯度2D/3D异质结是通过两亲性间隔阳离子从界面扩散到体相来实现的。2D/3D异质结工程策略实现了多个功能，包括钝化缺陷、促进空穴提取和提高薄膜湿度稳定性。间隔阳离子中的叔丁基有助于提高薄膜和器件的湿度稳定性。基于2D/3D异质结工程的器件实现了22.54%的效率，高达1.186 V的开路电压和高达0.841的填充因子。提升的器件性能归因于体相和界面非辐射复合损失得到了有效的抑制。改性的器件在一个太阳光辐照（100 mW/cm²）1032 h后仍保持其初始效率的44%，在60 °C老化1056 h后保持其初始效率的59%。该研究成果为开发2D/3D异质结策略工程来提升器件的效率和稳定性提供了借鉴，为钙钛矿太阳能电池的商业化应用奠定了坚实的基础。相关研究成果以题为《Simultaneous Passivation of Bulk and Interface Defects with Gradient 2D/3D Heterojunction Engineering for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells》发表在国际知名学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。

三、【图文解析】

图1. 器件的J-V曲线、能级排列及不同入射角度的GIWAXS图

图2. （a）具有梯度2D/3D钙钛矿异质结工程的器件结构示意图。（b）2D钙钛矿的晶体结构示意图。（c）对照和TBHCl的钙钛矿薄膜的Pb 4f XPS光谱。（d）对照和（e）TBHCl钙钛矿薄膜的 SEM 图。（f）对照样品、经TBHCl处理未退火和退火后的钙钛矿膜，纯2D钙钛矿薄膜的 XRD 图谱。在（g）0.2°（h）0.5°和（i）1°的入射角下，TBHCl钙钛矿薄膜的GIWAXS图。从（j）钙钛矿侧和（k）玻璃侧测量的对照和TBHCl改性的钙钛矿薄膜的SSPL光谱。（l）ITO/SnO₂/PVSK/TBHCl样品的ToF-SIMS 谱图。

图 3. （a）对照和（b）TBHCl钙钛矿薄膜的PL mapping图。（c）对照和TBHCl的钙钛矿薄膜的SSPL和（d）TRPL光谱图。（e）Glass/perovskite/不含或含TBHCl/Spiro-OMeTAD的（e）SSPL和（f）TRPL光谱图。基于ITO/ perovskite（g）不含或（h）含 TBHCl/Au的器件的暗I-V曲线。

图4

图5

图6

文献链接：Baibai Liu, Jie Hu, Dongmei He, Le Bai, Qian Zhou, Wenqi Wang, Cunyun Xu, Qunliang Song, Donghwa Lee, Pengjun Zhao,* Feng Hao, Xiaobin Niu,* Zhigang Zang,* and Jiangzhao Chen*. Simultaneous Passivation of Bulk and Interface Defects with Gradient 2D/3D Heterojunction Engineering for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells. ACS Applied Materials & Interfaces 2022. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c04374.