秦平力教授， AFM观点：贫铜-硫化铜通过界面改性实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

第一作者：王梓逸

通讯作者：秦平力*、刘清波*、雷红伟*

单位：武汉工程大学、华中农业大学

钙钛矿太阳能电池因其高效率和商业潜力而受到关注，但为了与传统硅基太阳能电池竞争，需要进一步提高其光电转换效率（PCE）。常用的空穴传输层（HTL）材料由于其亲水性质，缺乏防水能力，这限制了器件的性能和稳定性。因此，研究者寻求在钙钛矿和HTL之间引入不透水的界面修饰材料，可以减少界面势垒和防止降解剂侵入，从而提高载流子迁移率和器件稳定性。铜硫化物因其强光-物质相互作用、高载流子迁移率和可调带隙而被视为有前途的界面修饰材料。

基于此，来自武汉工程大学的秦平力教授、刘清波讲师与华中农业大学的雷红伟副教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Copper-Poor Copper Sulfide Enables High-Efficiency and Stable Perovskite Solar Cells via Interface Modification”的观点文章。该观点文章旨在通过使用铜硫化物作为界面修饰材料，并采用简单的球磨策略，从商业CuS和Cu₂S粉末中制备出Cu贫乏（CuS）和Cu富集（Cu₂S）纳米粒子。通过数据分析结果得出，以CuS作为修饰层调控钙钛矿与空穴传输层之间的界面后，器件实现了超过25%的光电转换效率（PCE）。

以IPA为辅助研磨溶剂，用行星球磨机制备了CuS和Cu₂S的纳米粒子。X射线衍射（XRD）分析表明，商用的CuS和Cu₂S粉末可以分别很好地结晶成六边形和单斜结构。球磨后XRD峰值显著降低，其择优取向有明显的变化。高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像显示，球磨后的CuS样品具有非常薄的纳米片，结晶良好，d空间值分别为0.329、0.273和0.189 nm，分别对应于（100）、（006）和（110）平面。相比之下，球磨后的Cu₂S样品呈现出非晶体结构。

图1. a) CuS和b) Cu₂S无球磨和有球磨的XRD图谱。c) CuS和d) Cu₂S球磨后的透射电镜图像。

要点二：CuS和Cu₂S与钙钛矿之间的相互作用

CuS纳米粒子由于其稳定的六角晶体结构，能够均匀覆盖钙钛矿表面，有效处理晶界处的残留PbI₂，并在钙钛矿与spiro-OMeTAD之间构建稳定的空穴传输通道。相比之下，Cu₂S纳米粒子由于其非晶态结构和过多的CuO/Cu(OH)₂副产品，导致其在钙钛矿表面的聚集和非均匀形态。这种差异导致CuS基器件展现出比Cu₂S基器件更好的界面钝化效果，从而提高了空穴传输效率和器件稳定性。通过XPS、Raman和FTIR等技术分析，CuS与钙钛矿之间的相互作用强度大于Cu₂S，这表明CuS能更有效地钝化界面缺陷，增强了钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。

图2. a) CuS和Cu₂S，b) 经CuS和Cu₂S处理后的钙钛矿薄膜的XPS光谱Cu 2p核水平峰；c) Pb 4f和d) CuS或Cu₂S处理后的钙钛矿膜的I 3d核水平峰。e) PbI₂+CuS和PbI₂+Cu₂S混合薄膜的拉曼光谱，f) CuS处理后钙钛矿的FTIR光谱。

要点三：CuS和Cu₂S与相邻界面之间的能级匹配

通过紫外光电子能谱（UPS）测量，CuS和Cu₂S的功函数（WF）和价带（VB）特性被确定，表明CuS的VB最大值与钙钛矿和spiro-OMeTAD的能量级更加匹配，这有助于最小化能量损失并促进有效的电子阻断和空穴提取。CuS的导带（CB）最小值也有效地阻碍了电子，从而促进了空穴的提取。相比之下，Cu₂S的VB最大值和CB最小值稍低，不利于形成与钙钛矿和spiro-OMeTAD的最佳能级排列。第一性原理计算进一步证实了CuS与钙钛矿之间强烈的电子转移，这是由于CuS中Cu空位的引入以及CuS与钙钛矿之间的强相互作用。这些结果表明，CuS作为界面修饰层，能更有效地改善钙钛矿太阳能电池的性能，特别是在提高开路电压和填充因子方面。

图3. a) CuS和Cu₂S薄膜的UPS光谱，插图为相应的价带区域；b) 钙钛矿太阳能电池的能级图。c) 晶格结构：(I) 具有25% Cu空位的CuS和（II）钙钛矿。d) CuS和e)钙钛矿相应的能带结构。（f-I）CD CCuS/钙钛矿沿𝑧方向的界面，（f-II）CuS/钙钛矿的电荷密度差，其中绿色等高线和红色等高线分别代表电荷的增加和损失。

要点四：CuS和Cu₂S作为界面修饰层在钙钛矿太阳能电池中的性能对比

J-V曲线表明，采用CuS作为界面修饰层的器件实现了最高的光电转换效率，达到了25.02%，明显优于Cu₂S修饰的器件。同时，开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）等关键参数均证实了CuS在提高器件性能方面的优越性。IPCE测试进一步证实了CuS修饰的器件在320至790 nm波长范围内的IPCE值提升，尤其是在450 nm处达到最大值，这与CuS的缺陷钝化和局部钙钛矿二次生长有关。SCLC测试结果表明，CuS修饰的器件具有最低的陷阱态密度，显示了最佳的缺陷钝化效果。EIS测试显示了CuS修饰器件具有最小的电荷转移电阻和最大的电荷复合电阻，表明其在界面钝化和载流子提取方面的优势。最后，暗态漏电流测试结果表明CuS修饰器件具有更低的漏电流密度，进一步证实了其在稳定性和效率方面的优势。此外，CuS还展现出了优异的稳定性。在长时间的工作测试中，CuS修饰的太阳能电池显示出更低的能量损耗和更长的使用寿命。这得益于CuS在减少电池内部电子陷阱和提高电子传输效率方面的能力，使得电池在转换光能时更加高效。

图4. 基于CuS器件的a) J-V曲线（插图显示了相应的器件结构），b) 基于CuS纳米粒子的冠军器件的J-V曲线。c) IPCE曲线，d) SCLC，e) EIS，f) 三种器件的暗态泄漏电流。e) 器件长期稳定性（在室温下保持干燥黑暗，≈湿度25%）。

Copper-Poor Copper Sulfide Enables High-Efficiency and Stable Perovskite Solar Cells via Interface Modification

秦平力，男，汉族，博士，教授，中共党员，第二届武汉工程大学青年骨干教师。2006年广西大学凝聚态物理专业硕士研究生毕业，2012年武汉大学微电子学与固体电子学专业博士毕业，同年晋升副教授。2012-2018年先后在武汉大学和香港理工大学从事博士后研究工作，主要研究光学功能材料与太阳电池器件。2019年12月晋升教授。在国内外期刊发表被SCI收录论文80多篇，其中以第一作者身份在国际顶级期刊Advanced Materials(IF=30.849), Advanced Functional Materials (IF=18.808), Journal of Materials Chemistry A (IF=12.732)上发表多篇论文，以独立通讯作者身份在国际顶级期刊Energy & Environmental Science（IF=32.4）发表论文，引用次数3500次，H因子31。目前的主要研究方向为硫化物金属纳米材料与钙钛矿电池。

雷红伟，男，博士，副教授。 2017年博士毕业于武汉大学，同年到华中农业大学理学院工作，2022年晋升副教授。主要面向光电、农业、环境、能源领域的基本问题和产业需求，利用物理、光学、电子、机械、材料等理论和技术，研发新型光电功能材料(无铅钙钛矿，金属卤化物，农业废弃物、其他无机半导体)，光电原型器件(光伏、探测、发光和传感)和系统装备(光电探测系统、照明光源和智慧农业传感平台)。主持国家自然科学基金青年科学基金项目1项，湖北省自然科学基金2项，湖北省重点实验室开放课题1项，中央高校基本科研业务费项目2项，参与横向课题3项。

发表SCI论文>60篇，引用次数>6400，H因子34，其中以一作/通讯作者身份在Advanced Functional Materials, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale等期刊发表论文18篇，1篇文章当选内封面文章，1篇文章入选ESI高被引文章，2篇文章入选热点文章。湖北省物理学会会员、光学学会会员、激光技术专业委员会会员，农业工程基础技术研究委员会会员。长期担任Nature Communications, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry C等期刊审稿人。担任Frontiers in Materials、Materials期刊的客座编辑。

刘清波，男，汉族，讲师，2020年于华中科技大学获得博士学位，2020年至2022年在华中科技大学从事博士后研究工作，中国科学院物理研究所访问学者，2022年10月以第五类优秀人才入职武汉工程大学数理学院熊伦教授团队。主要研究方向为磁性拓扑材料中的拓扑物态、拓扑声子材料中的拓扑物态与二维磁性系统中的自旋热电子学研究。并在‌Adv. Sci.‌、‌J. Am. Chem. Soc.‌、‌Mater. Today Phys.‌等权威国际期刊上发表多篇学术论文‌，主持‌国家自然科学基金青年科学基金项目‌。

王梓逸，2021年9月进入武汉工程大学秦平力老师课题组，攻读硕士学位，主要研究方向为铜基金属化合物钝化钙钛矿太阳能电池，实现离子钝化体系，对铜基金属化合物组成、结构及转化规律的新认识，发表SCI论文8篇，其中以第一作者发表4篇，申请专利1篇。

本课题组涉及光电功能材料与光伏器件，目前具备完善的先进光电材料制备设备、光学特性表征测试设备。课题组团结友善、学习氛围浓，重视学生的科研基本功，强调全面发展，倡导以学生为本的管理理念，努力营造快乐舒适的科研实验环境。诚邀对科研有热情有追求的同学加入我们。

地址：中国.湖北.武汉.东湖新技术开发区光谷一路206号 武汉工程大学 （流芳校区）

办公室：光电信息与能源工程学院、数理学院 2203（秦老师）

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