吉林大学王晓峰教授CEJ：通过能级的双边优化以实现高效反式钙钛矿太阳能电池

第一作者：蔡鑫杭

通讯作者：王晓峰*

单位：吉林大学

反式结构钙钛矿太阳能电池因其稳定性优势备受关注，但基于NiO_x的倒置钙钛矿太阳能电池存在缺陷密度高、晶格失配和 NiO_x/钙钛矿界面能级排列不良等问题。这些问题直接影响了设备的性能。尽管已有研究通过分子钝化或掺杂优化界面性能，但开发低成本、高稳定性的界面修饰策略仍是重要方向。

基于此，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室王晓峰教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Bilateral energy level tuning for efficient inverted perovskite solar cells”的研究论文。吉林大学物理学院硕士研究生蔡鑫杭为本文第一作者。在此研究中，将醋酸锌(ZnAc₂)作为双边修饰剂引入NiO_x/钙钛矿界面处，ZnAc₂的存在增强了NiO_x层的空穴迁移能力，改善了钙钛矿的晶体取向。此外，Zn²⁺的引入诱导了钙钛矿中的取代行为和络合反应，从而实现了钙钛矿薄膜两侧能级的对齐效应。经ZnAc₂处理的器件光电转换效率提高至24.46%，并且在非封装条件下表现出优异的环境稳定性。利用成本低廉的金属醋酸盐对NiO_x/钙钛矿界面进行修饰为解决反式钙钛矿太阳能电池产业化进程中的关键瓶颈提供了创新思路。此外，利用ZnAc₂进行能级双边优化的策略为提升钙钛矿太阳能电池的整体性能开辟了一条全新的途径。

图1. ZnAc₂在NiO_x/钙钛矿界面中的作用示意图。

图2. (a) 结构为FTO/HTLs/Ag的器件的I–V曲线。(b) Ni 2P_3/2，(c) NiO_x、NiO_x/PbAc₂和NiO_x/ZnAc₂的O 1s 的XPS光谱图。(d) 有/无NiO_x存在的金属醋酸盐（PbAc₂和ZnAc₂）的FTIR光谱图。不同基底上钙钛矿薄膜的(e)稳态和(f) 时间分辨光致发光光谱。

图3. (a) NiO_x、NiO_x/PbAc₂和NiO_x/ZnAc₂的UPS光谱，以及(b)沉积在不同基底上的钙钛矿薄膜的UPS光谱。(c) 钙钛矿、PbAc₂/钙钛矿和ZnAc₂/钙钛矿的吸收光谱。(d) 钙钛矿太阳能电池(PSCs)的能级图示意图。(e) 不同基底上钙钛矿薄膜埋底界面的Pb 4f XPS光谱，以及(f) I 3d XPS光谱。(g) FAPbI₃、FAPbI₃ + PbAc₂、FAPbI₃ + ZnAc₂的FTIR光谱，以及(h) MAPbI₃、MAPbI₃ + PbAc₂和MAPbI₃ + ZnAc₂的FTIR光谱。(i) 不同基底上钙钛矿薄膜以及添加了不同摩尔浓度ZnAc₂的薄膜的XRD图谱。

图4. (a) NiO_x/钙钛矿、NiO_x/PbAc₂/钙钛矿和NiO_x/ZnAc₂/钙钛矿薄膜埋底界面的SEM图像。(b) 沉积在NiO_x、NiO_x/PbAc₂和NiO_x/ZnAc₂上的钙钛矿薄膜的GIXRD图谱。NiO_x/钙钛矿、NiO_x/PbAc₂/钙钛矿和NiO_x/ZnAc₂/钙钛矿在入射角分别为(c) 0.2°和(d) 0.5°时的GIWAXS图谱。

图5. (a) 1.56 eV钙钛矿太阳能电池(PSCs)和(b) 1.68 eV PSCs在反向和正向扫描条件下的J-V曲线。(c) 控制组、PbAc₂处理组和ZnAc₂处理组PSCs的外量子效率(EQE)光谱及相应的积分短路电流密度(JSC)，以及(d) 在最大功率点处的稳态光电流和输出功率转换效率(PCE)。控制组、PbAc₂处理组和ZnAc₂处理组PSCs的(e) Mott-Schottky图，(f) 不同光照强度下开路电压(VOC)的依赖性，以及(g)暗电流。(h) 根据暗电流曲线得出的仅空穴传输的控制组、PbAc₂处理组和ZnAc₂处理组器件的空间电荷限制电流(SCLC)测量。(i) 控制组、PbAc₂处理组和ZnAc₂处理组PSCs在暗条件下的奈奎斯特图。

图6. 在环境相对湿度60%下老化不同时间后，沉积在(a) NiO_x、(b) NiO_x/PbAc₂和(c) NiO_x/ZnAc₂上的钙钛矿薄膜的XRD图谱。(d) 在空气（相对湿度50–60%，25°C）中放置1440小时，(e) 在25°C的N₂中放置1440小时，以及(f) 在85°C的N₂中放置408小时后未封装器件的归一化功率转换效率(PCE)。

要点一：

本工作提出了一种新型的双边优化策略，将ZnAc₂分子引入NiO_x/钙钛矿界面，通过与NiO_x层和钙钛矿层的相互作用同时优化了钙钛矿两侧的能级排列。

要点二：

 ZnAc₂中的-COO-可以有效钝化NiO_x层和钙钛矿层的离子缺陷，降低界面处的缺陷态密度。甲基 （–CH₃） 基团的引入增强了NiO_x界面的疏水性并降低了表面张力，促进了钙钛矿晶粒的生长。

要点三：

Zn²⁺ 的成功引入一方面与钙钛矿中的有机胺发生络合反应，减少钙钛矿中的碘离子缺陷。另一方面，Zn²⁺还可能替换钙钛矿晶格中的部分 Pb²⁺，从而使钙钛矿晶格缩小并拓宽带隙。

要点四：

ZnAc₂改性的器件在带隙分别为1.56 eV 和 1.68 eV 的钙钛矿下分别实现了 24.46% 和 21.25% 的功率转化效率，并表现出了优异的稳定性。

Bilateral energy level tuning for efficient inverted perovskite solar cells

王晓峰，吉林大学物理学院教授，博士生导师。主要从事新型能源转换及储存相关的研究。王晓峰教授多次作为项目负责人主持了中国及日本国家自然科学基金层次的科研项目，其中包括2011-2014年度日本学术振兴会JSPS科研费若手A类；2008-2010年度日本文部科学省MEXT科研费若手B类；以及2007年度日本学术振兴机构JST先进技术萌芽研究助成金等。现主持在研2016-2019及2020-2023年度国家自然科学基金面上项目2项，吉林省自然科学基金项目1项，企业横向课题1项。至今共发表了包括Energy & Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., ACS Energy Lett., Adv. Func. Mater., Chem. Comm., Nano-Micro Lett., Adv. Mater., J. Phys. Chem. C., Langmuir, J. Mater. Chem. A，ACS App. Mater. & Interfaces, J. Power Sources, ChemSusChem, Biosens. Bioelectron., Appl. Phys. Lett.等知名杂志在内的SCI论文100余篇。另外著有斯普林格，CRC Press, Elsevier等国外出版社专著各一章，获得已授权日本专利2项及中国发明专利多项。

蔡鑫杭，吉林大学物理学院硕士研究生。主要研究方向：钙钛矿太阳能电池。