逄淑平教授、崔光磊教授， AEM：采用N型聚合物掺杂PCBM获得1.2 V开压的反式器件

第一作者：孙秀红

通讯作者：崔光磊*，逄淑平*

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所

钙钛矿太阳能电池由于其优异的光电性能受到了广泛关注。其中，反式钙钛矿太阳能电池具有优异的稳定性和较小的磁滞效应，以及可以与硅等窄带隙电池集成制造串联太阳能电池的优势，而成为目前的研究热点。然而，在反式p-i-n器件中，电荷分离主要由钙钛矿活性吸收层和顶部电子传输层（ETL）之间的界面控制，因此必须对准能级并钝化界面缺陷，以增强载流子注入并减少非辐射复合。[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）是富勒烯的衍生物，由于其通过共轭结构实现了合理的电子迁移率、与低温溶液过程的兼容性以及合适的能级结构，使得其成为反式器件中广泛使用的电子提取材料。然而，溶液制备方法仍然存在一定的局限性。例如，低溶解度引发PCBM膜的高度能量无序，以及有效电子传输和膜覆盖之间的不平衡，过厚的薄膜会导致PCBM的团聚，使其电学性能恶化，而过薄的薄膜会覆盖不全钙钛矿而形成针孔，充当氧气、水和离子迁移通道。此外，PCBM缺乏有效的富电子中心来与分布在多晶钙钛矿表面的欠配位离子缺陷相互作用，并且钙钛矿和PCBM之间的较大能垒，导致载流子注入过程中的严重能量损失。因此，调控PCBM电子传输层对于提升器件性能起到关键作用。

近日，来自中国科学院青岛能源所的崔光磊研究员及逄淑平研究员在国际知名期刊上Advanced Energy Materials发表题为“VOC of Inverted Perovskite Solar Cells Based on N-Doped PCBM Exceeds 1.2 V: Interface Energy Alignment and Synergistic Passivation”的研究性文章。该文章通过采用N型 聚[N,N'-双(2-辛基十二烷基)-萘-1,4,5,8-双(二羧酰亚胺)-2,6-二基]-5,5'-(2,2'-二噻吩)（n2200）对PCBM进行掺杂，有效地调整了PCBM的导带能级，减少了载流子传递过程中的界面势垒，同时，该分子中的O,S等杂原子与钙钛矿表面未配位的Pb²⁺发生相互作用，钝化了界面缺陷。在活性面积为0.09cm²的器件上，实现了24.53%的效率，其开压达到了1.2V。同时，在活性面积为11.19cm²的模组上，获得了20.3%的效率，这为PCBM的放大制备提供了有效手段。

通过少量N2200的掺杂，使PCBM的LUMO能级位置上移，提高了PCBM@N2200与钙钛矿的导带最小值的能级对准，减少了自由电子从钙钛矿层转移到PCBM时的能量损失。此外，N2200的掺杂使PCBM的费米能级的上移，减少了钙钛矿的准费米能级分裂，并促进电荷的提取和传输。同时，N2200掺杂后，PCBM的电导率和电子迁移率都得到了明显的提升。因此，适量N2200的引入，可以有效地提高电子的提取能力，减少界面载流子的积累。

缺陷钝化能力对钙钛矿太阳能电池中的电子传输层具有重要意义。在钙钛矿层的退火过程中，部分碘化物可能升华，导致未配位的铅离子（Pb²⁺）的存在。N2200处理后的钙钛矿薄膜的PL强度和薄膜均匀性都得到了明显改善，这证明N2200中具有孤独电子的N、S或O原子，可以与钙钛矿中未配位的Pb阳离子形成配位键，增强了界面锚定效应。同时，PCBM@N2200与钙钛矿之间的键合相互作用增强了钙钛矿/电子传输层界面的机械韧性。

N2200的引入可以显著提高PCBM的电学性能。N型聚合物N2200不仅使LUMO能级上移，提高了PCBM的电学性能，而且有效地钝化了钙钛矿层上的表面缺陷。此外，PCBM在钙钛矿上的覆盖率显著提高，漏电流明显降低。使得器件在VOC、JSC和FF方面表现出显著的增强，实现了24.53%的效率，在有效面积为11.19cm²的模组上实现了20.30%的效率。此外，器件稳定性显著提高。这项工作提供了一种简单有效的掺杂方法来解决PCBM的问题，为溶液法制备高质量的ETL提供了解决方案。

VOC of Inverted Perovskite Solar Cells Based on N-Doped PCBM Exceeds 1.2 V: Interface Energy Alignment and Synergistic Passivation

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302191

崔光磊，研究员，博士生导师，国家新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家，国家级人才计划，科技部中青年科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家。曾获山东省自然科学一等奖、青岛市自然科学、科技进步（颠覆性技术探索类）一等奖等奖项。2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位，2005年9月至2009年先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究。2009年2月以中科院人才计划到中科院青岛生物能源与过程所工作。近几年主要从事高比能固态电池关键材料和系统研发、深海特种电源开发应用及固态光电转换器件的研究工作。先后在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Joule等发表文章400多篇，他引20000多次。

逄淑平 研究员简介：逄淑平，研究员，博士生导师，所学术委员会委员，国家基金委优秀青年基金获得者，山东省泰山学者青年专家、山东省杰青。2007-2011年博士就读于德国美因茨大学/马普高分子研究所，2011年回国到中国科学院青岛生物能源与过程研究所工作，任副研究员，2016年晋升为研究员。主要研究领域为半导体材料和相关的光电器件。近年来在Nat. Commun.、Chem、Joule、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、等期刊共发表SCI论文100余篇，他引8000余次。

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