港城大任广禹&朱宗龙界面与缺陷调控工程——有机铵盐助力倒置钙钛矿太阳能电池效率取得突破

【研究背景】

    有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PVSCs）因其优异的光电性能，低廉的成本和简单的制备工艺，已经发展成为光伏领域最具前景的方向之一。截至目前为止，钙钛矿太阳能电池的最高光电转换认证效率已经达到25.2%，与许多基于无机材料的太阳能电池相当。目前光电转换认证效率超过23%的钙钛矿太阳能电池大多基于传统的正置结构（n-i-p）, 但其电子传输层的制备工艺往往需要高温烧结（＞500℃）。相比之下，可低温（~100℃）制备的倒置（p-i-n）钙钛矿太阳能电池，因其对柔性电池的卷对卷制备工艺和叠层太阳能电池结构的高适配度以及良好的稳定性而倍受青睐。然而，倒置钙钛矿太阳能电池仍受限于较高的界面非辐射复合和电荷提取损耗。

【主要内容】

    鉴于此，香港城市大学任广禹课题组和朱宗龙课题组采用有机铵盐作为界面层置于空穴传输层与钙钛矿层之间来调控钙钛矿薄膜的生长和抑制发生在钙钛矿薄膜上下界面的非辐射复合（non-radiative recombination）。通过此项策略，器件的表面复合速率（SRV）和钙钛矿薄膜的缺陷态密度（trap states density）都得到了有效的降低，使得开路电压（V_OC）从1.12 V 增加到1.21V，从而使倒置钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升至22.31%。值得一提的是，最高效率器件的开路电压损耗（V_OC，loss）被有效降低至0.38 V，这是已报道的倒置结构钙钛矿太阳能电池中的最低值之一。此项工作对钙钛矿薄膜性质的调控和钙钛矿光电器件效率的提升，提供了重要的见解。相关结果发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊 Joule 上。 图1 A) 钙钛矿薄膜基于三种不同有机铵盐的俯视SEM图像；B) 钙钛矿薄膜PL峰位分布成像图 （区域大小：20 x 20 mm）；C) 钙钛矿薄膜的PL峰位分布直方图。

    在该项研究中，课题组成员制备出带隙为1.59 eV的倒置结构钙钛矿太阳能电池，并成功把三种不同的有机铵盐（PEAI, BDAI, GAI）做为界面层作用于空穴传输层（PTAA）与钙钛矿层之间。

    研究人员发现，虽然未经任何处理与经过有机铵盐处理的钙钛矿薄膜具有相似的形貌和晶粒尺寸（图A），但从共聚焦PL峰位成像图（confocal PL mapping）中发现了不同处理条件下钙钛矿薄膜上PL峰分布却不尽相同（图B）。未经过处理的钙钛矿薄膜的PL峰分布的较广（757-777 nm）， 而经过有机铵盐处理后的钙钛矿薄膜的PL峰分布较为集中，表明了钙钛矿薄膜的相分离 （phase segregation）现象得到了有效抑制（图C）。同时，这个现象也充分说明了经过有机胺大分子处理后的钙钛矿薄膜上表面具有更均匀的表面性质，可以有效地减少能量在不同带隙区域和界面间转移所产生的能量损耗。以上结果表明，通过钙钛矿层与电荷传输层之间的界面工程，可以同时有效地调控钙钛矿底部与顶部界面的表面性质以及载流子复合。图2 A) 钙钛矿电池高灵敏度EQE光谱；B) 经过有机铵盐BDAI处理后的钙钛矿电池的EQE_EL 和EL光谱；C) 钙钛矿太阳能电池V_OC，loss分析。

    为了研究及量化有机铵盐对钙钛矿太阳能电池的开路电压损失产生的影响，课题组研究人员采用了理论计算（detailed balance theory）的方法，得出具体的开路电压损耗值。其中由辐射复合造成的开路电压损失（ΔV₂）可通过高灵敏度EQE光谱（图A）进行计算；由非辐射复合带来的开路电压损耗（ΔV₃）可由钙钛矿电池电致发光效率计算（EQE_EL）得出（图B）。其中，经过有机铵盐（BDAI）处理过后的钙钛矿电池的电致发光外量子效率高达3.11%，与此对应的ΔV₃仅为88.60 meV。以上结果进一步说明了通过对钙钛矿和传输层界面以及缺陷的调控，可以有效降低器件中的非辐射复合。

    这项研究充分表明了有机铵盐做为界面层作用在钙钛矿太阳能电池中空穴传输层与钙钛矿层中间，可有效地调控钙钛矿薄膜的生长和抑制非辐射复合，大幅降低器件的能量损失。有机胺大分子在不影响原有钙钛矿晶格结构和表面形貌的情况下，有效提高了钙钛矿薄膜的PL强度以及得到更均匀的PL峰值分布。此外，经过有机胺大分子调控后，器件的空穴传输层与钙钛矿层界面的表面复合速率有了明显的降低，进一步验证了钙钛矿的非辐射复合得到了有效的抑制。基于此策略，钙钛矿太阳能电池的开路电压提升至1.21 V，从而使光电转换效率提升至22.31%。

    任广禹，朱博士均是论文的通讯作者。论文的共同第一作者是来自香港城大化学系的博士生吴圣钒，博士后张杰博士，博士生李稹。其他研究团队成员包括来自香港理工大学博士生Liu Danjun，香港城市大学材料科学与工程系雷党愿博士，香港浸会大学物理系苏树江教授和博士生Sin Hang Cheung，以及香港中文大学物理系的路新慧博士和博士生秦敏超。

Shengfan Wu, Jie Zhang, Zhen Li, Danjun Liu, Minchao Qin, Sin Hang Cheung, Xinhui Lu, Dangyuan Lei, Shu Kong So, Zonglong Zhu, Alex.K.-Y. Jen, Modulation of Defects and Interfaces through Alkylammonium Interlayer for Efficient Inverted Perovskite Solar Cells, Joule, 2020, DOI: 10.1016/j.joule.2020.04.001