中科院宁波材料所AFM：氧化铟锡的表面重构增强自组装单分子层的高密度吸附实现高效钙钛矿/硅叠层太阳能电池

第一作者：吴铭，李鑫

通讯作者：应智琴*，杨熹*，叶继春*

单位：中科院宁波材料所

自组装单分子层（SAMs）被广泛用作载流子传输中间层，以实现高效率的钙钛矿太阳能电池（PSCs）。然而，由于SAM吸附对复杂氧化物表面化学性质的敏感性，在金属氧化物（如铟锡氧化物，ITO）表面实现均匀且无针孔的单层仍然具有挑战性。本工作中，通过氢氟酸和随后的紫外臭氧处理选择性去除不需要的末端羟基和水解产物来重构ITO表面。这可以大大增加ITO表面的活性和面积，从而促进高密度SAM的吸附。由此产生的氟化表面还可以防止ITO与钙钛矿活性层直接接触，并使钙钛矿底部界面钝化。得益于钙钛矿薄膜形成、电荷提取、能级排列和界面化学稳定性的协同改进，相应的PSC实现了21.3%的功率转换效率。同时与对照组相比，其长期稳定性也得到了增强。此外，还展示了认证效率为19.0%的半透明PSC（填充因子达到创纪录的84.1%）以及效率为28.4%的四端口钙钛矿/硅叠层电池。

近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所新能源所叶继春研究员团队在前期晶体硅和钙钛矿太阳电池研究的基础上，在高效稳定钙钛矿/硅叠层电池领域取得了新的进展。相关成果以“Reconstruction of the Indium Tin Oxide Surface Enhances the Adsorption of High-Density Self-Assembled Monolayer for Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells”为题发表于Advanced Functional Materials。该团队采用一种ITO表面重构的方法实现了SAM在ITO表面的高密度和无针孔吸附，具体通过氢氟酸和随后的紫外臭氧处理方法来选择性地去除ITO表面不需要的末端羟基和水解产物，从而实现ITO表面重构。这种方法可以显着增加ITO表面活性和面积，从而促进高密度SAMs的吸附。此外，所得的氟化表面还可以防止ITO与钙钛矿活性层的直接接触，并钝化钙钛矿的埋底界面。得益于协同改进的钙钛矿成膜、电荷提取、能级排列和界面化学稳定性，相应的单结钙钛矿太阳电池获得了21.3% 的光电转换效率和较好的长期运行稳定性。最后，作者将由重构的ITO制得的半透明电池和遂穿氧钝化接触(TOPCon)电池用于四端钙钛矿/硅叠层太阳电池的制备，最终获得了28.4%的效率。

本文通过氢氟酸（HF）和后续的紫外臭氧（UVO）处理对商用的ITO表面进行重构处理。具体而言，首先用调配好的氢氟酸水溶液对ITO表面进行刻蚀，基于典型的酸碱反应，将ITO表面无需的端接羟基（OHT）进行化学移除，并物理去除由紫外臭氧处理产生的水解产物（Hydrolysis products），从而获得富桥接羟基（OHB）和氧空位（VOs）的ITO表面；接着进行UVO处理，获得更多有利于SAM吸附的OHB官能团和少许氟端基，这有利于减少钙钛矿与ITO表面的直接接触。为了验证上述论述，本文进行了75°偏角的XPS和FTIR表征。结果发现，经氢氟酸和紫外臭氧处理后的ITO表面含有更多的桥接羟基和少许氟端基。表面化学的改变更有利于SAM的高密度吸附，这得到了FTIR和AFM-IR（附件）的验证。

本工作对ITO表面重构后的微观形貌进行了表征，发现重构后的ITO晶粒变大，比表面增加。这种形貌的改变有利于后续钙钛矿薄膜的高质量生长，所沉积的钙钛矿薄膜晶粒变大，且薄膜内部缺陷明显降低。

本工作还研究了ITO表面重构后对钙钛矿薄膜载流子动力学的影响。通过稳态PL和TRPL表征发现，重构后的ITO更有利于空穴载流子的提取，这归因于更多SAM在重构的ITO表面的均匀吸附。高密度SAM在重构ITO表面的吸附，还改善了SAM与钙钛矿薄膜之间的能级排列，使得空穴载流子更有效提取和收集。

得益于协同改进的钙钛矿成膜、电荷提取、能级排列和界面化学稳定性，作者将重构的ITO制备成单结和四端叠层器件，以验证其有效性。单结钙钛矿太阳电池获得了21.3% 的光电转换效率，并且无封装的器件在空气环境中连续光照660小时后仍保持其初始效率的86%。最后，作者将重构ITO制得的半透明电池和遂穿氧钝化接触(TOPCon)电池用于四端钙钛矿/硅叠层太阳电池的制备，最终获得了28.4%的效率，这是基于TOPCon电池的四端口钙钛矿叠层电池的最高效率之一。

Reconstruction of the Indium Tin Oxide Surface Enhances the Adsorption of High-Density Self-Assembled Monolayer for Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells

叶继春研究员2001年本科毕业于中国科学技术大学, 2005年在加州大学戴维斯分校获得博士学位, 毕业后在美国硅谷Spanion（AMD spinoff）半导体芯片公司和太阳能业内闻名的初创公司从事研究工作。在半导体器件、太阳能电池、和材料等领域具有超过20年的研发积累，在工艺开发、工艺集成、和器件设计与制备表征等领域内有较为丰富的经验。

2012年8月回国后，叶继春研究员组建了一个100余人的科研团队，所从事的研究内容包括新型高效晶硅太阳电池、宽禁带半导体、及相关仪器装备开发和新材料开发。在Nature communications, Joule, Advanced Materials, Energy & Environmental Science等杂志上发表200余篇论文，2篇著作章节，申请专利220项，授权100余项，团队完成或承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院重大装备项目、以及浙江省、宁波市、企业等科研项目90余项。