华北电力大学李美成团队Joule：平面TiO2钙钛矿太阳电池新突破！

导读

近年来，金属卤化物钙钛矿太阳电池发展迅猛，受到人们广泛关注。其中，平面结构的钙钛矿太阳电池与介孔结构相比，具有结构简单、可低温制备等优点，在叠层电池和柔性电池方面显示出突出的应用潜力。在平面钙钛矿电池中，二氧化钛、二氧化锡和氧化锌等凭借其优异的材料特性，被设计制备成电子传输层并深入研究。目前，基于二氧化锡电子传输层的平面钙钛矿电池已经获得了超过25%的认证效率。然而，研究更早、成本更低、储量更丰富的二氧化钛材料，相应平面钙钛矿电池的认证效率停留在23%左右，远低于肖克利-奎瑟尔极限。上述的性能差距与二氧化钛薄膜质量及其与钙钛矿薄膜的界面接触性能有关。因此，有必要开发出一种适用于平面钙钛矿电池的二氧化钛薄膜精准调控策略，以提升二氧化钛薄膜质量及其界面特性，进而提升电池性能。

成果掠影

近日，华北电力大学李美成教授团队提出了一种基于配体工程的TiO₂沉积策略，通过在TiO₂化学水浴前驱液中引入有机配体，调控水浴沉积过程，实现有效应用于高性能钙钛矿太阳电池的TiO₂电子传输层的制备，获得了24.8%的电池效率。研究成果以“24.8%-efficient planar perovskite solar cells via ligand-engineered TiO₂ deposition”为题发表在CellPress旗下能源旗舰期刊《Joule》上。黄浩、崔鹏为第一作者，李美成教授为唯一通讯作者。

核心创新

以酒石酸作为配体为例，配体工程沉积策略可以有效抑制TiO₂薄膜表面的颗粒团聚，得到致密平整的电子传输层。平整光滑的TiO₂表面确保了与钙钛矿薄膜的紧密接触。另外，TiO₂薄膜表面附着的酒石酸分子，可以和钙钛矿底端的铅原子成键，从而形成界面交联结构。可靠的界面接触和交联结构有效降低了界面接触电阻，增强了界面电荷传输。最终，制备出的平面钙钛矿太阳电池，获得了24.8%的光电转换效率，该效率是已报道的TiO₂基平面钙钛矿太阳电池的最高效率。

数据概览

图一、配体工程沉积策略对TiO₂表面微观形貌的影响研究。

图二、基于配体工程沉积的TiO₂薄膜性能表征。

图三、TiO₂对钙钛矿薄膜生长影响研究及界面结构研究。

图四、TiO₂基平面钙钛矿太阳电池光电转化效率表征。

图五、TiO₂基平面钙钛矿太阳电池界面电荷转移表征。

图六、电池器件稳定性表征。

成果启示

综上所述，作者报道了一种配体工程沉积策略来精确调节TiO₂薄膜及其界面结构，降低了电池的界面接触电阻，增强了界面电荷抽取，最终TiO₂基平面钙钛矿太阳电池获得了24.8%的光电转换效率，填充因子超过0.83。此外，TiO₂基钙钛矿太阳电池的紫外稳定性和湿度稳定性都得到了有效增强。未封装电池在环境空气中老化2000 h，仍可保持其初始效率的95%。该配体工程沉积策略也可以推广应用于其它无机电子传输层，如二氧化锡和氧化锌，为推动平面钙钛矿太阳电池等光电器件的发展提供了参考。

论文链接：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