西北工业大学王昆等人 AFM: 氧辅助界面优化实现高效CsPbI3太阳能电池

第一作者：王昆、王培萌

通讯作者：王昆*，佟宇*，王洪强*

单位：西北工业大学

钙钛矿太阳能电池因其具有合适的能带结构、独特的光电性能等优势，在太阳能电池研究领域广受关注。得益于卓越的热稳定性、优异的光电特性和适用于叠层器件的带隙，全无机钙钛矿太阳能电池成为近年来研究热电方向之一。然而，全无机CsPbI₃钙钛矿因Cs⁺半径小导致容忍因子接近下限，易发生黑相（光活性）向黄相（非活性）的相变；同时PEDOT:PSS的酸性与吸湿性导致埋底界面缺陷多、电荷传输受阻，限制器件效率与稳定性。

近日，西北工业大学王昆副教授，佟宇教授、王洪强教授等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials上以“Oxygen-Assisted Chemical Reaction Enables Buried Interface Optimization for Efficient CsPbI₃Perovskite Solar Cells”为题发表研究文章。通过使用2-（1-环己烯基）乙胺（CHEA）修饰钙钛矿埋底界面，并借助于其在氧气条件下发生的反应在空穴传输层与钙钛矿吸光层间形成了稳定的化学桥联作用。进而实现了薄膜缺陷态密度的显著降低以及载流子传输性能的改善。最终在空气条件下制备出光电转化效率为21.19%的CsPbI₃钙钛矿太阳能电池，同时器件的稳定性也得到显著提高。

CHEA在空气中热退火（100 °C）时，环己烯基的C=C键氧化生成-COOH与C=O，进而通过分子间缩合形成含酰胺键（-CONH-）的交联网络：一方面通过N-H与PSS的S=O形成氢键，降低PEDOT:PSS酸性并提高导电性；另一方面通过C=O与未配位Pb²⁺配位、N-H与I⁻形成氢键，钝化界面缺陷。

CHEA通过空气中氧气辅助氧化-缩合反应形成含酰胺基团的交联网络，构建PEDOT:PSS与CsPbI₃之间的化学桥连，加速黑相CsPbI₃钙钛矿的形成，抑制空气中退火时水分的侵蚀，提高了薄膜质量，减少了缺陷密度，有利于抑制载流子非辐射复合及促进界面电荷提取。

得益于界面以及钙钛矿薄膜的优化，空气中制备CsPbI₃太阳能电池的光电转换效率由19.72%显著提升至21.19%，同时器件的稳定性也得到大幅提升，器件综合性能为同类器件的最高水平之一。

图5. 界面修饰对CsPbI₃太阳能电池性能的提升

Oxygen‐Assisted Chemical Reaction Enables Buried Interface Optimization for Efficient CsPbI₃ Perovskite Solar Cells

王昆副教授简介：2019年博士毕业于德国慕尼黑工业大学，同年加入西北工业大学微电子学院，任副教授，主要研究方向为能源转换材料与器件，包括太阳能电池、光探测器、发光器件等，以及使用先进散射方法分析材料的微观结构。主持欧盟玛丽居里学者、江苏省“双创”博士、国家自然科学基金、省部级、企业横向等项目十余项。在Angewande Chemie、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Nano Letters、ACS Nano等知名期刊发表一作/通讯论文40余篇，申请/授权中国/国际发明专利11项。担任Eco Energy 及 Carbon Neutralization 期刊青年编委。

佟宇教授简介：2018年毕业于德国慕尼黑大学物理系，2020年加入西北工业大学材料学院。主要从事新型半导体光电功能材料（如量子点、低维材料、钙钛矿等）及其器件研究，在Advanced Materials、Angewandte Chemie、Energy & Environmental Science 、ACS Nano、Nano Letters等期刊发表学术论文60余篇，其中第一/通讯作者论文40余篇，4篇入选ESI高被引。担任InfoMat及Nano-Micro Letters期刊青年编委。

王洪强教授简介：西北工业大学材料学院教授、副院长、国家级领军人才，英国皇家化学会会士。2008年于中科院固体物理研究所获凝聚态物理专业博士学位，后分别在日本、德国、英国从事研究工作。曾获国家海外高层次青年人才、德国洪堡学者、欧盟玛丽居里学者。现担任总装X材料专家组成员、工信部高端功能与智能材料专项专家组成员、中国体视学会材料科学分会副主任委员、陕西省学科创新引智基地负责人、陕西省 “一带一路”国际联合实验室主任、陕西省纳米科技学会副理事长以及《JPhys Materials》国际编委等职。长期从事先进能源与催化材料基础及应用研究，系统开展了纳米晶激光植入低碳能源器件创新研究，以第一/通讯作者在 Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Sci. Adv.、Nat. Commun.等材料领域国际重要期刊发表 SCI 论文200余篇，H因子62。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金面上等国家、省部级等项目二十余项。