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南科大&港理工Nat. Com.：共吸附策略制备高效钙钛矿及有机光伏器件

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2024-09-05

导读：南科大&港理工Nat. Com.：共吸附策略制备高效钙钛矿及有机光伏器件

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文章信息

共吸附策略制备高效钙钛矿及有机光伏器件

第一作者：Dongyang Li，Qing Lian，Tao Du

通讯作者：马睿杰，任志伟，李刚，程春

通讯单位：南方科技大学，香港理工大学

DOI: 10.1038/s41467-024-51760-5

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自组装单层 (SAM) 已成为实现高性能钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 和有机太阳能电池 (OSCs) 的关键，因为它可以显著降低界面能量损失。在本研究中，我们提出了一种共吸附 (CA) 策略，采用一种新型小分子 2-氯-5-(三氟甲基)异烟酸 (PyCA-3F)，将其引入2PACz和钙钛矿/有机层之间的埋底界面。这种方法有效地减少了2PACz的自聚集，增强了表面光滑度并提高了改性 SAM的功函数，从而为钙钛矿提供了平坦的埋层界面和有利的异质界面。由此带来的结晶度改善、最小化的陷阱态以及增强的空穴提取和传输能力，使具有p-i-n 结构的 PSC 的功率转换效率 (PCE) 超过 25%（经认证为 24.68%）。采用 CA 策略的 OSC 基于 PM1:PTQ10:m-BTP-PhC6 光活性系统实现了19.51% 的显著 PCE。值得注意的是，其他两种流行的 OSCs 系统也实现了普遍改进。经过 1000 小时的最大功率点跟踪后，封装的 PSCs 和 OSCs 分别保留了其初始 PCE 的约 90% 和 80%。这项工作引入了一种简单、合理且有效的方法来提高 SAM 的性能，实现了 PSC 和 OSCs 的效率突破，具有良好的 p-i-n 器件结构，同时提高了操作稳定性。

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背景介绍

界面工程在可溶液加工的第三代太阳能电池器件（如钙钛矿和有机太阳能电池）中起到了重要作用，助力实现通过可持续能源生产达到碳中和的目标。其中， PEDOT:PSS作为传统空穴传输层（HTL），因其良好的能级匹配和电子阻挡特性，推动了p-i-n结构光伏器件的光电转换效率（PCE）不断突破。然而，PEDOT:PSS在外界光热等应力下的不稳定性及酸性，严重限制了器件的稳定性。因此，近年来，开发低成本、绿色溶液可加工的HTL成为研究热点。

自组装单分子层（SAMs），尤其是基于磷酸的SAMs，作为新兴的HTL材料，能够有效提升钙钛矿和有机太阳能电池的效率和稳定性。SAMs通过锚定基团与氧化物基底（如ITO）形成共价或配位键，并通过末端基团调节表面性质，如功函数，同时其超薄的特性有利于保持基底的高透光性，提升短路电流密度（JSC）。此外，SAM与基底的化学键合及非酸性特性，进一步保证了器件的稳定性。尽管具有潜力，但获得高密度、紧密堆积的SAM结构仍然充满挑战，特别是在醇类溶剂中容易发生自聚集，形成胶束，导致界面缺陷和电流泄漏，从而引发能量损失和器件不稳定性。

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本文亮点

引入PyCA-3F构建共吸附层（CA）后可有效降低2PACz的自聚集（从溶液到薄膜状态），提高表面的光滑度。

共吸附策略可有效钙钛矿埋底界面处的界面能，改善钙钛矿层的薄膜质量。

共吸附策略能够显著提升基于p-i-n结构钙钛矿太阳及有机太阳能电池性能，实现25%（PSCs）和19.5%（OSCs）的转化效率。

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图文解析

本工作利用在2PACz单分子层上引入PyCA-3F（图1a）。AFM与KPFM证明引入后，空穴层表面粗糙度减小，其表面更加偏向于p型，使得空穴在界面处传输效率得到提升。（图1b-e）。UV-Vis及UPS证明引入后对透过率无明显影响，且功函数存在一定偏移（图1f-g）

图1. 分子结构，表面形貌及性质。

DFT计算2PACz和PyCA-3F的HOMO及LUMO分别为-4.82 eV和-1.61 eV 及-3.54 eV和-2.49 eV（图2a）。分子动力学计算表明共吸附策略可以降低2PACz的自聚集，同时提高表面的覆盖率（图2b-d）。

图2. DFT计算以及分子动力学模拟。

钙钛矿埋底界面的孔洞减少且粗糙度得到降低（图3a-d）。通过高分辨AFM表明埋底界面处的谷槽角度提高，这有助于降低钙钛矿埋底界面晶界处的缺陷富集（图3e-f）。通过ToF-SIMS表明分子主要存在于埋底界面出且与钙钛矿间存在相互作用（图3i-l）。GIWAXS表明共吸附策略可提高钙钛矿层的结晶质量（图3m-o）。

图3. 钙钛矿埋底界面处薄膜质量表征

共吸附策略对钙钛矿上表面能级结果无明显改变，但是在埋底界面处使得钙钛矿更加偏向于p型，有利于空穴的传输（图4a）。通过共吸附策略钙钛矿器件转化效率得到提升（图4b-d）。同时其热稳定性和工作稳定性也得到了提升（图4e-f）。

图4. 钙钛矿器件性能表征。

在有机太阳能电池中，共吸附策略使得PM1:PTQ10:m-BTP-phC6 体系器件性能达到了19.5%（图5a-e）。其工作稳定性也得到了显著的提升。（图5f）这种共吸附策略在PBQx-Cl:PY-IT体系以及刮涂制备的PM6:eC11体系中均有明显的提升（图5g-k）。

图5. 有机太阳能电池器件性能表征。

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小结

本研究的协同吸附策略为钙钛矿和有机太阳能电池的发展开辟了新的路径。通过研究引入2PACz与PyCA-3F协同作用，研究团队成功实现了器件效率和稳定性的双重提升。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率突破了25%，而有机太阳能电池的效率也达到了19.51%。此外，器件在长期稳定性方面的显著提升，更是为其未来的大规模应用奠定了坚实的基础。

这一创新性的协同吸附策略不仅解决了太阳能电池界面工程中的关键问题，还展示了其在实际应用中的巨大潜力。未来，随着该技术的进一步优化和推广，我们有望看到更加高效且稳定的太阳能电池，推动全球可再生能源的普及和发展。研究团队的这一突破性成果，无疑为钙钛矿与有机太阳能电池的研究与应用注入了新的活力，标志着太阳能技术向商业化应用又迈出了坚实的一步。

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文章链接

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51760-5

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作者简介

李刚，香港理工大学电机与电子工程学系讲席教授，鍾士元爵士可再生能源冠名教授，粤港澳光热电能源材料与器件联合实验室联合主任。研究聚焦于可印刷太阳能电池（有机聚合物太阳能电池，钙钛矿太阳能电池）及相关领域。本科毕业于武汉大学空间物理学系，爱荷华州立大学凝聚态物理博士及电机工程硕士。2016年来港前为加州大学洛杉矶分校UCLA研究教授。李刚教授发表科技期刊论文260余篇，被引82000余次，H-因子94（谷歌学术）。他是美国光学学会会士（Optica Fellow）英国皇家化学会会士（RSC Fellow），国际光电工程学会会士（SPIE Fellow）香港研究资助局高级研究学者 (RGC SRFS)。自2014年至今为汤森路透/科睿唯安全球高被引科学家（材料科学，化学，物理, 交叉领域）。

程春副教授（研究员，博导）于2004年获得华中师大物理基地班本硕学位，2009年获得香港科技大学博士学位，2009-2013年先后在香港科大和美国加州大学伯克利分校进行博士后研究。于2013年6月加盟南方科技大学。迄今发表SCI论文180篇，其中近五年以通讯作者身份在Nat. Com. , Adv. Mater. 等国内外知名刊物发表SCI收录论文75篇。主持10项（省部级及以上8项）基金项目，包括国家基金委“重大研究计划”、“面上”及广东省“杰出青年”等，是科技部创新团队、教育部重点实验室等多个省部级创新团队/平台的核心成员，入选“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才。曾获南方科技大学“青年科研奖”和“深圳市青年科技奖”奖励，获 “全国优秀教师”和广东省“南粤优秀教师”荣誉称号。长期任Nat. Electron. , Nat. Nanotech. , Joule等顶级期刊的审稿人；任Wiley- Energy & Environmental Materials期刊青年编委；Elsevier-Journal of Science: Advanced Materials and Devices编委；《材料研究与应用》青年编委（2021-至今）。任深圳市柔性太阳能电池研发工程研究中心副主任，校教学指导委员会委员（教授代表）。

任志伟博士，现为香港理工大学电机及电子工程学系助理教授(研究）。2018年香港理工大学获得博士学位。2018至2021年分別在香港理工大学和纳扎尔巴耶夫大学从事校长卓越博士后研究和资深博士后研究。目前研究工作兴趣主要在新能源光电材料与器件，能源叠层器件集成应用以及功能性纳米材料合成与应用。相关研究成果以一作(或共同)和通讯(或共同)在Nature Photonics, Nature Communications, Light Science& Applications, Joule, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS nano等学术期刊发表论文。

马睿杰，香港理工大学卓越博士后研究员。2014-2018年于浙江大学取得物理学学士学位（导师：袁辉球教授、刘洋教授），2018-2022年在香港科技大学攻读化学博士学位（导师：颜河教授）。2022年8月加入香港理工大学电机与电子工程系李刚教授团队。主要从事第三代太阳能光伏器件的前沿科研。2018年入选香港政府研究生奖学金计划（HKPFS）。作为第一或通讯作者参与发表期刊论文60余篇，包括：Nat. Commun（2篇），Adv. Mater (6 篇)，Energy. Environ. Sci (4篇)，Angew. Chem. Int. Ed. （3篇），Adv. Energy Mater (8篇)。总引用次数超过6500次，H-因子 46。2022、2023年连续入选科睿唯安数据库交叉领域“全球高被引科学家”。2023年入选全球前2%科学家。担任高起点国产期刊首届正式青年编委，香港理工大学主办国际期刊首届青年编委。荣获2023年新锐科学家。