华侨大学、洛桑联邦理工学院MLN，AM：通过Spinodal分解聚(3-己基噻吩)/钙钛矿异质界面实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

第一作者：杨育倩

通讯作者：吴季怀*，Mohammad Khaja Nazeeruddin*

单位：华侨大学，洛桑联邦理工学院

有机-无机混合卤化铅钙钛矿材料在光伏领域有很好的潜力，并且可以通过溶液工艺进行实现规模化制造。目前，单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率已达到26.1%，接近成熟的硅太阳能电池(SSCs)的最佳研究电池效率。然而，PSCs仍然面临着提高性能和稳定性的挑战，因为界面上的能级失配和缺陷限制了能量损失和载流子传输。

近日，来自华侨大学吴季怀教授团队和瑞士洛桑联邦理工学院Mohammad Khaja Nazeeruddin教授团队等人在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Poly(3-hexylthiophene)/perovskite Heterointerface by Spinodal Decomposition Enabling Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”的文章（在线发表日期：2023-11-29）。研究人员合作引入引入具有相互交错网络结构的聚(3-己基噻吩)/卤化镓(P3HT/PVK)异质结构异质界面，来减轻卤化镓层/空穴传输层(HTL)界面上的缺陷，并优化能量排列。

这种分解策略能够解决P3HT作为HTL时导致器件开路电压低的问题，通过改善P3HT和PVK之间的物理接触，提高载流子传输的效率。而且，自旋分解或亚稳定是一种自发的固相极化过程，不需要复杂的成核过程控制，适合生成具有双连续互穿网络结构的两相。这项研究有望为有机半导体材料的研发和光电器件性能的提升带来新的思路。

要点一：本研究选择二甲基亚砜/二甲基甲酰胺（DMSO/DMF）和氯苯（CB）作为钙钛矿的溶剂和反溶剂。当P3HT/CB溶液滴入到钙钛矿前驱体DMSO-DMF溶液中时，钙钛矿前驱体溶液被CB反溶剂萃取，形成固态PVK相，剩余的PVK和P3HT的混合处于不稳定状态，即旋光区。P3HT分子聚集形成富含P3HT的相，而PVK分子聚集形成富含PVK的相。由于PVK相和P3HT相是在同一时间和同一空间形成的，因此两相相互交织形成了互穿网络结构。理论计算证明，在我们的实验中，P3HT/PVK 混合物的旋光分解是可行的。

要点二：扫描电子显微镜（SEM）图像观察P3HT/PVK器件显示出更大的钙钛矿晶粒，这主要归因于旋光分解驱动的包晶成分的上坡扩散。P3HT/PVK 薄膜显示出高度相互连接的连续结构，而不是分散的点状结构。有趣的是，试样的互连面积随着P3HT浓度的增加而增加，这似乎与形态特征一致。这似乎与自旋分解的形态特征而非成核生长机制相一致。

要点三：开尔文探针显微镜（KPFM）技术表明P3HT/PVK的平均接触电位差（CPD）值（-71.4 mV）低于PVK（-26.6 mV）。与PVK相比，P3HT/PVK的电位在线型上的变化更为显著，因为其值取决于成分的变化。此外，图中的高度分布较窄，但P3HT/PVK却表现出更宽的电位分布。这一现象可归因于P3HT/PVK内的分量分布。其中富含P3HT的区域产生较低的电位，而富含PVK的区域则产生较高的电位。

紫外光电子能谱（UPS）绘制出PVK和P3HT/PVK的Tauc图和能级排列图示意图。与PVK的4.66 eV相比，P3HT/PVK显示出更大的功函数（WFs）（4.92 eV），这与KPFM中较低的表面电势非常吻合，而较低的表面电势会促使空穴从过氧化物中析出。P3HT/PVK HOMO（-5.60 eV）与HTL（Spiro-OMeTAD，-5.22 eV）的能级更为匹配，能量偏移为0.38 eV，而原始PV 的 HOMO（-5.70 eV）的能量偏移为0.48 eV。P3HT/PVK异质界面优化了钙钛矿和HTL之间的界面能量排列，从而减少了界面上的能量损失。

要点四：制备了FTO/TiO2/CsFAMA-perovskite/spiro-OMeTAD/Au平面PSC。PSC实现了最佳性能，功率转换效率（PCE)为23.02%、VOC为 1.214 V，JSC为 24.29 mA cm^-2，FF为78.05%。原始器件的 PCE 仅为 20.34%。为了验证P3HT/PVK异质界面在PSC中的通用性还制作并测试了具有FTO/SnO2/FAMA-perovskite/spiro-OMeTAD/Au结构的平面器件。P3HT/PVK 器件的最高PCE达到24.53%，其他光电参数也得到了增强，国家光伏产业计量测试中心（NPVM，中国，中国计量科学研究院）认证的PCE为23.94%。结合上述结果，P3HT/PVK 异质界面在不同结构的平面 PSCs 的潜在应用中的可行性得到了证实。

通过自旋分解构建了一种基于钙钛矿的异质界面，并发现异质界面对载流子动力学具有重要影响。P3HT/PVK异质界面能有效缓解HTL与钙钛矿之间的能量势垒，减少载流子定向迁移过程中的能量损耗。由于P3HT/PVK异质表面提供了有效的空穴传输通道，减少了有害的重组，因此载流子损耗也会大大降低。带有P3HT/PVK异质表面的PSC实现了24.53%的功率转换效率（认证值为23.94%），并在存储960小时后保留了88.46%的初始效率；而原始器件的效率为22.62%，在存储960小时后仅保留了45.45%。我们的发现为高效 PSC和另一种光电子技术开辟了一条道路。

Poly(3-hexylthiophene)/perovskite Heterointerface by Spinodal Decomposition Enabling Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

吴季怀教授长期从事材料化学领域的科学研究，在新型太阳能电池、新型储能电池、超吸水材料、光催化纳米材料、色心晶体材料和激光等领域取得突出成果。1998年至1999年留学日本东北大学。先后主持国家863项目、国家重点科技项目、国家自然科学基金重大研究计划、联合重点项目等国家级课题15项，教育部、福建省重大专题、重大、重点、国际合作、科学基金等省部级科研项目20项。在Chem Rev、Chem Soc Rev、Adv Mater、J Am Chem Soc、Energy Environ Sci等期刊发表SCI收录论文600多篇，被SCI引用20000多次，H-因子69。科研成果获省部级科技一等奖2项、二等奖6项、三等奖6项。国际电化学学会（ISE）会员、国际电气和电子工程师学会（IEEE）高级会员、2014~2021年连续八年入选Elsevier中国高被引学者，2018年入选Clarivate全球高被引科学家，2019年入选英国皇家化学会综合化学领域Top1%高被引中国作者。

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