ACS Energy Lett.：钙钛矿太阳能电池埋底界面修饰/基于强结合能筛选修饰剂

第一作者：张博；Jiyeon Oh

通讯作者：陈珊珊；Changduk Yang；李峰

单位：重庆大学；韩国蔚山科技大学；复旦大学

钙钛矿太阳能电池已经成为一种富有潜力的可再生能源技术，其具有低成本、轻量化和灵活制造等诸多优势。尽管在材料设计和器件优化方面取得了显著的进展，但当前的光电转换效率仍然远远低于Shockley-Queisser理论极限，并且长期稳定性尚不足以满足实际应用的需求。多晶钙钛矿太阳能电池中，底部界面存在大量的缺陷，这些缺陷主要导致严重的非辐射复合和离子迁移现象。因此，针对底部结界面的修饰和钝化工程已经得到了广泛的研究关注。

在采用氧化锡作为电子传输层的n-i-p型太阳能电池中，许多研究者致力于寻找合适的修饰剂来钝化氧化锡/钙钛矿异质结界面处的深能级缺陷。然而，由于经验指导的局限性，修饰剂的钝化能力精确调节仍然相当模糊；尤其是在共价/非共价键和几何方面的作用机理尚未得到充分的探讨。为此，本研究设计了一系列新型的胍盐酸盐修饰剂，并在此基础上系统地研究了修饰剂的分子结构与电池性能之间的关系，为开发更高效、更稳定的太阳能电池提供了有价值的理论指导。

基于此，来自重庆大学陈珊珊副研究员、韩国蔚山科技大学Changduk Yang教授以及复旦大学的李峰教授合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Buried Guanidinium Passivator with Favorable Binding Energy for Perovskite Solar Cells”的文章。该文章通过设计一系列新型的胍盐酸盐修饰剂修饰埋底界面获得了24.4%的光电转换效率。

图1. 埋底界面修饰的原理及获得的最高光电转换效率

钙钛矿埋底界面的修饰中，修饰剂的选择通常基于一个试错的过程。在本研究中，为了寻求选择修饰剂时的参考因素，我们设计了一系列不同程度氨基取代的胍盐作为修饰剂，并对它们分别进行了密度泛函理论（DFT）计算，以对比计算结果与器件结果的关系。研究发现影响底部界面修饰效果的主要因素是修饰剂与电子传输层氧化锡的结合能力。

Figure 2. (a) DFT calculation models of Gua, Agu, Dgu, and Tgu on a SnO₂ film. (b) DFT calculation models of Gua, Agu, Dgu, and Tgu on a perovskite film. (c) Corresponding binding energies calculated by DFT. (d) VTFL values of control and AGs-modified devices estimated by SCLC characterizations. (e) Representative J−V curves and (f) PCE statistical data of a control device and AGs-modified devices.

要点2  影响修饰剂与氧化锡结合能变化的因素

在文中XPS的结果中反映出，本文所设计的修饰剂结构中，被质子化的亚氨基（C=NH₂⁺）在于氧化锡结合过程中起主要做作用。那么本文设计的不同程度氨基取代的胍盐中，随着氨基取代的增加会增加亚氨基的空间位阻，降低其作用能力，但是氨基也可以作为与氧化锡的结合位点，氨基取代的增加会增加作用位点的数目，因此在两种对结合能力相反的影响因素下，结合能随着氨基取代的增加呈现出先增后减的趋势，在氨基胍盐酸盐上获得了最大值。

Figure 3. Chemical Structures of Guanidinium Passivators in This Work

要点三 修饰剂的作用机理

钙钛矿的埋底界面由于其特殊性，作用机理也分为与氧化锡的作用机理和钙钛矿的作用机理，与氧化锡的主要是影响氧化锡的能级，表面的深能级缺陷密度等，对钙钛矿的影响主要是影响了钙钛矿的结晶状态，文中通过XPS、GIWAX、XRD、SEM、AFM、UPS等进行了详细的对比和说明，这里不再赘述。

陈珊珊副研究员简介：工学博士，重庆大学能源与动力工程学院副研究员，重庆市青年拔尖人才计划入选者。2018年取得韩国蔚山科学技术院（UNIST）能源工程专业博士学位，2020 年入选重庆市青年拔尖人才计划。主要从事于主要从事有机光电功能材料的设计合成、聚集态结构表征与调控、高效（柔性）器件制备以及构效关系方面的研究。

这些材料主要将应用于光电子器件。如有机发光二极管（OLED）、有机光伏（OPV）和有机场效应晶体管（OFET）。研究重点在于分子工程以改善器件性能。并且与强大的器件工程和器件结构团队有着紧密的合作关系。

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